Científicos descubrieron un nuevo estado de la materia en otra dimensión

Hace aproximadamente 60 años, se teorizó en relación de la existencia de los supersólidos. ¿Qué se postulaba? Que existía una supuesta materia que tenía características de los estados sólido y líquido a la vez. Ahora, un reciente estudio de Nature señaló que los estados supersólidos presentan simultáneamente propiedades típicamente asociadas con un sólido y con un superfluido.

Como un sólido, poseen un orden cristalino, manifestándose como una modulación periódica de la densidad de las partículas; pero a diferencia de un sólido típico, también tienen propiedades superfluidas, como resultado de la deslocalización coherente de partículas en todo el sistema.

Estos estados, explicaron los autores de la investigación Matthew Norcia, Claudia Politi, Lauritz Klaus, Elena Poli, Maximilian Sohmen, Manfred Mark, Russell Bisset, Luis Santos y Francesca Ferlaino, se imaginaron inicialmente en el contexto del helio sólido a granel, como una posible respuesta a la pregunta de si un sólido podría tener propiedades superfluidas. Aunque no se ha observado supersolidez en helio sólido (a pesar de mucho esfuerzo), los gases atómicos ultrafríos proporcionan un enfoque alternativo, que recientemente permitió la observación y el estudio de supersólidos con átomos dipolares. Sin embargo, a diferencia de los fenómenos propuestos en el helio, estos sistemas gaseosos hasta ahora solo han mostrado supersolidez en una sola dirección.

“Con este hallazgo demostramos la extensión de las propiedades supersólidas en dos dimensiones mediante la preparación de un gas cuántico supersólido de átomos de disprosio en ambos lados de una transición de fase estructural similar a las que ocurren en las cadenas iónicas, alambres cuánticos y teóricamente en cadenas de partículas dipolares individuales”, precisaron los investigadores en el paper científico. Esto abre la posibilidad de estudiar propiedades de excitación ricas, incluida la formación de vórtices y fases de estado fundamental con estructura geométrica variada en un sistema altamente flexible y controlable.

El equipo de físicos logró generar, por primera vez, de forma paralela entre laboratorios en las universidades de Innsbruck, 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 superfluido, es decir, un fluido capaz de fluir sin ninguna fricción”, explicó Francesca Ferlaino, una de las autoras principales. 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”, pormenorizó 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 reproducible, por lo que es un nuevo hito de la física fundamental”, añadió.

Otras perspectivas, diferentes 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”, determinó 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 sólo 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 fenómeno 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 amplió Ferlaino-. Estos vórtices descritos en teoría aún no se han demostrado, pero representan una consecuencia importante de la superfluidez”.

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