Descubren un nuevo estado de la materia denominado supersólido

Dos físicos de la Penn State University de Pennsylvania, el profesor Moses Chan y el estudiante Eun-Seong Kim, han descubierto una nueva fase de la materia, una forma supersólida del helio-4, que tiene todas las propiedades de un superfluido. La nueva fase de la materia es una forma ultrafría, supersólida, de helio-4.

El helio-4 congelado se comporta como una combinación de sólido y súperfluido. Según sus descubridores, es la primera vez que se obtiene en laboratorio un material sólido con las características de un superfluido.

Los investigadores explican que su material es un sólido porque todos los átomos del helio-4 quedan congelados en una película cristalina rígida, tal como ocurre con los átomos y las moléculas de un cuerpo sólido normal como es el hielo. Sin embargo, en el caso del helio esta congelación de los átomos no implica que estén inmóviles.

Cuando el helio-4 llega a la temperatura adecuada (apenas un décimo de grado sobre el cero absoluto), la película que forma comienza a experimentar las leyes de la mecánica cuántica.

En ese momento, los átomos de helio comienzan a comportarse como si fueran sólidos y fluidos a la vez. Una parte de los átomos de helio comienza a moverse a través de la película como una sustancia conocida como súperfluido, un líquido que se mueve sin ninguna fricción. Dado que es un sólido con propiedades de superfluído, los investigadores han denominado a este nuevo estado de la materia “supersólido”.

Lo que se desprende de este experimento es que cuando el helio-4 se enfría a temperaturas extremas, la condensación Bose-Einstein lo convierte en un superfluido. Aunque la teoría predice que la superfluidez sólo puede existir en el helio-4 sólido, la fase supersólida nunca se había comprobado en un experimento, que es lo que han hecho los científicos de Pennsylvania.

Un superfluido es un líquido que fluye sin fricción interna. Para que un líquido sea superfluido, sus átomos o moléculas deben ser enfriados o "condensados" hasta que alcanzan el mismo estado quántico.

La superfluidez, especialmente la que existe en el helio-3, es análoga a la superconductividad convencional de baja temperatura, en la cual los electrones fluyen a través de ciertos metales y aleaciones sin resistencia.

Leyes cuánticas

La materia está estructurada por átomos que obedecen las leyes de la mecánica cuántica. A temperaturas normales estas leyes concuerdan con las nociones clásicas, y las partículas de un gas se comportan como un grupo de bolas de tenis encerradas en una caja, chocando continuamente unas con otras.

Sin embargo, a medida que disminuye la temperatura comienza a manifestarse el carácter cuántico de los átomos: a temperaturas suficientemente bajas, algunas de las partículas subatómicas (más particularmente los bosones) tienden a acumularse en el estado cuántico energéticamente más bajo, conformando la así llamada condensación de Bose-Einstein.

La condensación de Bose-Einstein es un fenómeno cuántico que se manifiesta a escalas macroscópicas. Describe un nuevo estado de la materia que ya fue predicho por Albert Einstein en los años veinte del siglo pasado, al mismo tiempo que se desarrollaba la teoría de la mecánica cuántica.

Eric A. Cornell y Carl E. Weiman, de la Universidad de Colorado (USA), y Wolfgang Ketterle, del Massachusetts Institute of technology (USA), comprobaron la veracidad de la condensación Bose-Einistein y recibieron por ello el Premio Nobel de Física en 2001.

Superátomo, supersólido

A medida que la temperatura desciende, comienza a emerger el carácter ondulatorio de los átomos. Así, las diferentes ondas de materia pueden unirse unas con otras y coordinar su estado produciendo la condensación de Bose-Einstein.

En ese sentido, se suele decir que la condensación Bose-Einstein produce un superátomo, ya que todo el sistema debidamente enfriado queda descrito por una única función de onda, exactamente como ocurre con un solo átomo. También se puede hablar de materia coherente como ocurre con la luz coherente en el caso de un láser

Esto es precisamente lo que consiguieron los investigadores de Pennsylvania con el helio-4, ya que al ser solidificado a la temperatura adecuada (-273 grados Celsius) todas sus partículas alcanzaron un mismo estado quántico, fluyendo continuamente, por lo que denominan a este estado supersólido.

Tal como se explica en el comunicado de la Universidad de Pennsylvania, los investigadores recurren al siguiente ejemplo para explicar el significado del experimento: las personas que viajan en el metro están tan apretadas que apenas pueden moverse. Pero si alcanzaran la fluidez del helio-4 a una temperatura adecuada, las personas del metro podrían moverse libremente por el vagón sin tocar a los demás viajeros.

Reforzada la condensación Bose-Einstein

Esto es lo que ha sucedido a nivel de los átomos del helio-4 y sólo puede explicarse porque las partículas subatómicas del helio se comportan como ondas a determinadas temperaturas, ya que, como comprobaron los investigadores, una ligera modificación de la temperatura reduce de nuevo el helio a su estado natural.

Es como si a los pasajeros del metro, una vez se hubieran acomodado para el viaje, perdieran la fluidez quedando inmovilizados en sus respectivos espacios debido a un ligero cambio en la temperatura ambiente.

Si el experimento de los investigadores de Pennsylvania, publicado en la revista Nature, llegara a repetirse y a establecerse como definitivo, se confirmaría que los tres estados de la materia (sólido, líquido y gaseoso) pueden acceder a un nuevo estado, de naturaleza superior, previsto por la condensación de Bose-Einstein, según la cual todas las partículas se condensan en un mismo estado cuántico.

A lo largo del siglo pasado, se descubrieron otros fenómenos que pueden interpretarse también como manifestación de la condensación de Bose-Einstein. Por otro lado, en los últimos años han sido diversos los esfuerzos por descubrir nuevos estados de la materia, particularmente en lo que se refiere a los quarks, partículas que en vez de unirse para formar otras más complejas, permanecen libres en un aparente nuevo estado de la materia.

Respecto a los bosones, asimismo, diferentes experimentos realizados durante los últimos 15 años sugieren que estas partículas pueden existir como un metal, lo que contradice el sentido común y obliga a hablar también de un nuevo estado de la materia.

También los láseres

Por último, una de les líneas de investigación más candentes en la física actual es la utilización de haces de luz láser para manipular los átomos y conseguir nuevos estados de la materia, como los condensados de Bose-Einstein.

Este uso del láser puede servir también para conseguir superposición de electrones, los así llamados qubits (contracción de quantum y bits, bits cuánticos de información con más posibles valores que los clásicos 1 y 0). Estos qubits presentan un gran interés para la computación cuántica y para otros muchos ámbitos de la ciencia.

La condensación de Bose-Einstein, después del experimento de Pennsylvania, se refuerza aún más como un nuevo campo de la Física en el que el control del comportamiento cuántico de la materia a escala macroscópica abre un inmenso abanico de aplicaciones, al mismo tiempo que plantea nuevos interrogantes sobre las fronteras reales del Universo cuántico.

Las posibles aplicaciones van desde el desarrollo de interferometría atómica ultraprecisa y el empleo de láseres de átomos para diseñar nanoestructuras de gran precisión, hasta la obtención de relojes atómicos mucho más fiables que los actuales.

Fronteras cuánticas

Sin embargo, aparte de las posibles aplicaciones, el caso del helio confirma que el comportamiento cuántico de la materia a escala macroscópica es más sorprendente de lo que originalmente se había pensado.

Recientemente publicamos en [Tendencias]article: que científicos austriacos habían comprobado que las moléculas de tetrafenilporfirina tienen comportamientos ondulatorios similares a los de las partículas subatómicas, lo que planteaba dudas sobre las fronteras reales del universo cuántico.

Dado que la condensación Bose-Einstein ocurre también a nivel macroscópico, las sorprendentes propiedades del helio replantean la cuestión de hasta qué nivel de realidad rigen las leyes de la mecánica cuántica, que están en abierta contradicción con las leyes físicas conocidas.