Científicos observan un nuevo estado de la materia en otra dimensión: supersólido en un gas cuántico

Recreación del gas cuántico supersólido bidimensional producido en el laboratorio por primera vez – IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

Esta materia posee la estructura de un cristal, pero las partículas dentro de su interior ‘fluyen’ como un líquido, de forma deslocalizada

En los años 60 se teorizó acerca de la existencia de los supersólidos: una supuesta materia que tenía características de los estados sólido y líquido a la vez. Algo que, a priori, rivaliza con el sentido común. Sin embargo, en estos primeros estudios se esbozaba la hipótesis de que ciertos materiales podrían alcanzar un estado que, por un lado, poseía un orden cristalino y fijo de sus partículas (como los sólidos); y, por otro, tenía partículas deslocalizadas fluyendo por todo el sistema (como en los líquidos). Llevar esta idea de los libros al laboratorio no fue fácil: hasta 2019 no se demostró que, efectivamente, sí existía este estado supersólido. Y ahora un nuevo estudio publicado en ‘ Nature‘ ahonda aún más en la cuestión: los físicos han sido capaces de observarlo en una nueva dimensión, un nuevo hito en la física fundamental.

El principal escollo de esta teoría es que cuando un líquido se convierte en sólido, su densidad se modula fuertemente a medida que emerge la matriz ordenada de partículas que constituye su cristal. Es decir, que los sólidos, desde el plástico al hierro, tienen sus átomos dispuestos en un orden regular, formando estructuras visibles y rígidas. Por el contrario, en los líquidos, las partículas se mueven constantemente y tienen tendencia a expandirse. Para llegar al estado supersólido habría que conjugar en un mismo material ambas características.

Hace más de medio siglo, los teóricos de la época señalaron al helio sólido (que solo se produce a presiones muy altas y a temperaturas muy bajas, transformándose en un cristal) como el principal candidato para demostrar la teoría de los supersólidos. Pero, a pesar de muchos esfuerzos, aún a día de hoy no ha habido éxito. Sin embargo, la ciencia ha buscado enfoques alternativos con los que, además de probar efectivamente la existencia de este estado, se ha podido seguir avanzando. Es el caso de los gases cuánticos, una ventana única al mundo de los fenómenos cuánticos macroscópicos.

El primer supersólido

superfluido, es decir, un fluido capaz de fluir sin ninguna fricción», explicaba Ferlaino. Es decir, tiene la estructura de un cristal, pero las partículas dentro de su interior ‘fluyen’ como un líquido, porque están deslocalizadas.

La interacción magnética hace que los átomos se autoorganicen en una suerte de ‘gotitas’ y se organicen en un patrón regular. «Lo que han conseguido es ‘convencer’ a una materia que tiende a expandirse a que se confine en una estructura regular», explica Juan José García Ripoll, físico teórico del Instituto de Física Fundamental, dependiente del CSIC. «Se habían hecho otros experimentos, pero ‘obligando’ a la materia. Este enfoque se basa en que la materia ‘decide’ de alguna manera por sí misma llegar a este estado. Y además se trata de un sistema predecible y reproducibleAsí es como el equipo de Francesca Ferlaino, de la Universidad de Innsbruck -y que ahora también firma el nuevo estudio-, quien logró generar, por primera vez (de forma paralela a otros laboratorios en las universidades de Pisa y Stuttgart) estados supersólidos a partir de gases cuánticos ultracongelados de átomos de lantánido altamente magnéticos. «Debido a los efectos cuánticos, un gas muy frío de átomos puede desarrollar espontáneamente tanto un orden de un cristal sólido como un flujo de partículas como un líquido cuántico

, por lo que es un nuevo hito de la física fundamental», añade.

Observar el nuevo estado de la materia desde otros ángulos

La característica de estos átomos que se encuentran dentro de estas gotas ordenadas y que forman una estructura cristalina es que «cada partícula se deslocaliza a través de todas las gotas, existiendo simultáneamente en cada gota», explica Matthew Norcia, del equipo de Ferlaino. «Básicamente, tienes un sistema con una serie de regiones de alta densidad (las gotas) que comparten los mismos átomos deslocalizados». Es decir, que los mismos átomos están en todas las gotas a la vez, creando una onda cuántica, en una extraña formación que permite efectos como el flujo sin fricción -la fluidez más perfecta, en términos coloquiales- a pesar de también poseer un orden espacial.

Pero este estudio va más allá. Hasta ahora, los estados supersólidos en los gases cuánticos solo se han observado como una cadena de gotas, a lo largo de una única dimensión. Pero, en colaboración con los teóricos Luis Santos, de la Leibniz Universität Hannover, y Russell Bisset, en Innsbruck, el equipo ha conseguido expandir el fenímeno a dos dimensiones, lo que amplía las perspectivas de la investigación. Algo así como poder mirar este nuevo estado desde diferentes ángulos. «Por ejemplo, en un sistema supersólido bidimensional, se puede estudiar cómo se forman los vórtices en el agujero entre varias gotas adyacentes -afirma Ferlaino-. Estos vórtices descritos en teoría aún no se han demostrado, pero representan una consecuencia importante de la superfluidez».