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

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En los años sesenta se teorizó sobre la existencia de los supersólidos: una supuesta materia que tenía peculiaridades de los estados sólido y líquido al unísono. Algo que, a priori, rivaliza con el los pies en el suelo. No obstante, en estos primeros estudios se esbozaba la hipótesis de que determinados materiales podrían lograr un estado que, por una parte, tenía 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 dos mil diecinueve no se probó que, ciertamente, sí existía este estado supersólido. Y ahora un nuevo estudio publicado en ‘Nature’ profundiza todavía más en la cuestión: los físicos han sido capaces de observarlo en una dimensión nueva, un nuevo jalón en la física esencial.

El primordial escollo de esta teoría es que en el momento en que un líquido se transforma en sólido, su densidad se modula con fuerza conforme surge la matriz ordenada de partículas que forma su cristal. Esto es, que los sólidos, desde el plástico al hierro, tienen sus átomos preparados en un orden regular, formando estructuras perceptibles y recias. Al contrario, en los líquidos, las partículas se mueven continuamente y tienden a expandirse. Para llegar al estado supersólido habría que conjugar en un mismo material las dos peculiaridades.

Hace más de medio siglo, los teóricos de la temporada apuntaron al helio sólido (que solo se genera a presiones altísimas y a temperaturas bajísimas, convirtiéndose en un cristal) como el primordial aspirante para probar la teoría de los supersólidos. Mas, pese a muchos sacrificios, todavía hoy no ha habido éxito. No obstante, la ciencia ha buscado enfoques alternativos con los que, aparte de probar ciertamente la existencia de este estado, se ha podido continuar avanzando. Es el caso de los gases cuánticos, una ventana única al planeta de los fenómenos cuánticos macroscópicos.

El primer supersólido
Es de este modo como el equipo de Francesca Ferlaino, de la Universidad de Innsbruck -y que ahora asimismo firma el nuevo estudio-, quien consiguió producir, por vez primera (de forma paralela a otros laboratorios en las universidades de Pisa y Stuttgart) estados supersólidos desde gases cuánticos ultracongelados de átomos de lantánido enormemente imantados. «Debido a los efectos cuánticos, un gas friísimo de átomos puede desarrollar de manera espontánea tanto un orden de un cristal sólido como un flujo de partículas como un líquido cuántico superfluido, o sea, un fluido capaz de fluir sin fricción», explicaba Ferlaino. O sea, tiene la estructura de un cristal, mas las partículas en su interior ‘fluyen’ como un líquido, por el hecho de que están deslocalizadas.

La interacción imantada hace que los átomos se autoorganicen en una especie de ‘gotitas’ y se organicen en un patrón regular. «Lo que han logrado es ‘convencer’ a una materia que tiende a expandirse a que se recluya en una estructura regular», explica Juan José García Ripoll, físico teorético del Instituto de Física Esencial, dependiente del CSIC. «Se habían hecho otros ensayos mas ‘obligando’ a la materia. Este enfoque se fundamenta en que la materia ‘decide’ de alguna forma por sí sola llegar a este estado. Y además de esto se trata de un sistema predecible y reproducible, con lo que es un nuevo jalón de la física fundamental», agrega.

Observar el nuevo estado de la materia desde otros ángulos
La característica de estos átomos que se hallan en estas gotas ordenadas y que forman una estructura cristalina es que «cada partícula se deslocaliza mediante todas y cada una de las gotas, existiendo simultáneamente en todos y cada gota», explica Matthew Norcia, del equipo de Ferlaino. «Básicamente, tienes un sistema con una serie de zonas de alta densidad (las gotas) que comparten exactamente los mismos átomos deslocalizados». O sea, que exactamente los mismos átomos están en todas y cada una de las gotas al unísono, creando una onda cuántica, en una extraña capacitación que deja efectos como el flujo sin fricción -la fluidez más perfecta, en términos informales- pese a asimismo tener un orden espacial.

Mas este estudio va más allí. Hasta el momento, los estados supersólidos en los gases cuánticos solo se han observado como una cadena de gotas, durante una sola dimensión. Mas, en cooperación con los teóricos Luis Beatos, de la Leibniz Universität Hannover, y Russell Bisset, en Innsbruck, el equipo ha logrado expandir el fenímeno a 2 dimensiones, lo que amplía las perspectivas de la investigación. Algo como poder mirar este nuevo estado desde diferentes ángulos. «Por ejemplo, en un sistema supersólido bidimensional, se puede estudiar de qué manera se forman los vórtices en el orificio entre múltiples gotas lindantes -asevera Ferlaino-. Estos vórtices descritos teóricamente todavía no se han probado, mas representan una consecuencia esencial de la superfluidez».

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