El entendimiento de la naturaleza se basa en el estudio de los objetos o sistemas que la componen, y en las conclusiones que de ellos se obtienen a través de los experimentos y la teoría involucrados en su descripción. Estos cuerpos poseen dimensiones que van desde los Angstroms Å (10-10 metros) que es el tamaño característico de los átomos, hasta los miles de metros, que es por ejemplo la magnitud del diámetro de la tierra. Todos estos objetos y otros de dimensiones aun menores y mayores son el propósito de estudio de la física.

Nuestro interés en este artículo es describir las propiedades y el comportamiento de sistemas compuestos de una cantidad macroscópica de átomos, y que aun estando a muy bajas temperaturas se encuentran en su fase de vapor. Estos son los denominados gases atómicos ultrafríos que se componen típicamente de 107 átomos y ocupan un espacio de alrededor de 1 mm3. La temperatura de uno de estos gases es de alrededor de 50 nK (10-9 kelvins), es decir solamente unas billonésimas de grado arriba del cero absoluto. El hecho que un conjunto tan grande de átomos a esta temperatura permanezcan en una fase gaseosa se debe a que su densidad es muy baja. Por ejemplo, comparados con el aire que respiramos, una de tales muestras producidas en el laboratorio posee una densidad 100,000 veces menor.

El comportamiento de los gases atómicos ultrafríos es cualitativamente distinto dependiendo del tipo de átomos que componen el gas. Existen dos tipos de átomos en la naturaleza: fermiones y bosones, y todos los átomos de la tabla periódica pertenecen a una de estas dos categorías. La diferencia entre fermiones y bosones tiene su origen en el número total de electrones, protones y neutrones que posee el átomo en cuestión; si la suma de electrones, protones y neutrones es impar, el átomo es un fermión, mientras que si esta suma es par, el átomo es un bosón. La consecuencia esencial de ser fermiones es que dos partículas idénticas no pueden ocupar el mismo estado; esto significa que las variables que caracterizan cada una de estas partículas tendrán siempre valores distintos. Esta propiedad es también conocida como el Principio de Exclusión de Pauli. En contraparte, la propiedad más importante de los bosones, es que dos o más partículas idénticas pueden ocupar el mismo estado. Cabe recalcar que los protones, electrones y neutrones son en sí mismos fermiones, y que las partículas de luz, llamadas fotones, son bosones.

Si los átomos que componen el gas ultrafrío son bosones, entonces, al llegar a una cierta temperatura, el gas sufre el fenómeno conocido como Condensación de Bose-Einstein, que significa que un porcentaje significativo de los átomos se van al estado base, es decir el estado de más baja energía, y se dice que todos estos átomos se han condensado. En tanto que si los átomos que conforman el gas son fermiones, y la temperatura del gas es los suficientemente baja, los átomos se acomodan cada uno en la escala energética de menor a mayor valor para formar un gas degenerado de Fermi. Debemos hacer énfasis en que un gas de Bose tiene una energía mucho menor que un gas degenerado de Fermi como consecuencia del hecho de que en el gas de Bose la mayoría de las partículas pueden tener la misma energía, la cual en el caso de los gases atómicos ultrafríos es muy baja. Explicaremos más ampliamente las propiedades y comportamiento de dichos gases atómicos ultrafríos.