Crean por primera vez un estado supersólido de la materia

Cuando la materia se enfría casi al cero absoluto, surgen fenómenos intrigantes que incluyen el estado supersólido. En un estado supersólido, los átomos están dispuestos en un patrón cristalino mientras que al mismo tiempo se comportan como un superfluido, en el cual las partículas se mueven sin fricción.

Hasta ahora, el estado supersólido no era más que una especulación teórica. Sin embargo, investigadores suizos del ETH han conseguido por vez primera crear este estado extraño de la materia en laboratorio, según informa la citada universidad en un comunicado.

En la revista Nature, este grupo de investigadores liderado por Tilman Esslinger, profesor de Óptica Cuántica en el Instituto de Electrónica Cuántica, y Tobias Donner, científico principal en el mismo instituto, informan de la exitosa producción del estado supersólido.

Los investigadores introdujeron una pequeña cantidad de gas de rubidio en una cámara de vacío y lo enfriaron a una temperatura de unas pocas billonésimas de kelvin por encima del cero absoluto, de modo que los átomos se condensaron en lo que se conoce como condensado de Bose-Einstein.

El condensado Bose-Einstein es un peculiar estado cuántico que se comporta como un superfluido. Este estado de agregación de la materia se da en ciertos materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Los investigadores colocaron este condensado en un dispositivo con dos cámaras de resonancia óptica entrecruzadas, cada una de las cuales constaba de dos diminutos espejos opuestos.

La combinación de estos dos campos de luz en las cámaras de resonancia provocó que los átomos en el condensado adoptaran una estructura regular similar a la de un cristal, al mismo tiempo que conservaban sus propiedades superfluidas: podían fluir sin ninguna entrada de energía, por lo menos en una dirección, algo que no es posible en un sólido "normal".

 "Hemos sido capaces de producir este estado especial en el laboratorio gracias a una configuración sofisticada que nos permitió hacer las dos cámaras de resonancia idénticas para todos los átomos", explica Esslinger.

De la teoría a la realidad

Con su experimento, los físicos suizos han hecho realidad un concepto teorizado por los científicos, incluyendo el físico británico David Thouless. En 1969, postuló que un superfluido también podría tener una estructura cristalina. Las consideraciones teóricas llevaron a la conclusión de que este fenómeno podría ser más fácilmente demostrado con helio enfriado a sólo unos pocos kelvins por encima del cero absoluto.

En 2004, un grupo estadounidense informó que había encontrado evidencia experimental para tal estado, pero luego atribuyó sus hallazgos a los efectos superficiales del helio. "Nuestro trabajo ha implementado con éxito las ideas de Thouless", explica Donner. "No usamos helio, sin embargo, conseguimos un condensado de Bose-Einstein."

Un segundo estudio independiente sobre el mismo tema aparece en el mismo número de Nature. Señala que un grupo de investigadores dirigido por Wolfgang Ketterle en el MIT anunció el pasado otoño - poco después de los investigadores de ETH - que también habían logrado encontrar evidencia de un estado supersólido, usando un enfoque experimental diferente.

El estado supersólido es un estado cuántico de la materia predicho también en 1969 por los teóricos rusos Alexander Andreev y  Ilya Liftshitz, quienes especularon con que a muy baja temperatura, los espacios vacíos de la red cristalina de un sólido se pueden disipar como en un superfluido.

El superfluido es otro estado de la materia caracterizado por la ausencia total de viscosidad, de tal  manera que, en un circuito cerrado, fluye interminablemente sin fricción. Este estado fue descubierto en 1937 por Piotr Kapitsa, John F. Allen y Don Misener, y su estudio es llamado hidrodinámica cuántica.

Sólido, líquido o gaseoso son los tres estados claramente definidos de la materia. Es difícil imaginar que la materia pueda exhibir simultáneamente propiedades de dos de estos estados. Sin embargo, precisamente este fenómeno es posible en el campo de la física cuántica, donde la materia puede mostrar comportamientos que parecen mutuamente excluyentes, tal como han verificado los científicos suizos.

Referencia

Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry. Nature 543, 87–90 (02 March 2017) doi:10.1038/nature21067