Cuando la materia cotidiana se enfría, sigue un camino familiar. Un gas se convierte en líquido y, a medida que se enfría más, ese líquido se solidifica. La materia cuántica no siempre obedece esta regla. Hace más de un siglo, los científicos descubrieron que el helio se comporta inesperadamente a temperaturas extremadamente bajas. En lugar de congelarse, se transforma de un gas común a un superfluido, un raro estado de la materia que fluye sin resistencia y exhibe un comportamiento extraño, incluido trepar por los lados del contenedor.
Los físicos se han preguntado durante mucho tiempo qué sucede cuando un superfluido se enfría aún más. A pesar de décadas de esfuerzos, esta pregunta permaneció sin respuesta durante casi 50 años.
Un superfluido que se detiene
En una nueva investigación publicada en Nature, un equipo dirigido por el físico Cory Dean de la Universidad de Columbia y Jia Li de la Universidad de Texas en Austin informa de un resultado interesante. Observaron que un superfluido, que normalmente se encuentra a velocidad constante, dejó de moverse repentinamente. “Por primera vez, hemos visto un superfluido transformarse en una fase que parece ser un supersólido”, dijo Dean. El cambio es comparable a la congelación del agua, pero se produce en estado cuántico.
¿Qué es un supersólido?
Un sólido clásico está definido por átomos encerrados en una estructura cristalina rígida y repetitiva. Un supersólido es la versión cuántica de este concepto. Se prevé que tendrá una estructura ordenada, similar a un sólido, y al mismo tiempo conservará las propiedades normalmente asociadas con los fluidos con flujo sin fricción. Esta combinación hace que un supersólido sea uno de los estados de la materia más inusuales propuestos por la física.
Sin embargo, hasta ahora ningún experimento ha demostrado claramente que un superfluido se transforme naturalmente en un supersólido. Esto incluye el helio y todas las demás formas conocidas de materia. Algunos laboratorios han simulado supersólidos utilizando configuraciones altamente controladas desarrolladas por físicos atómicos, moleculares y ópticos (AMO) de demostración. Estos experimentos se basan en láseres y componentes ópticos para crear una trampa periódica que fuerza a las partículas a seguir un patrón repetitivo, como la gelatina que se forma en una cubitera de hielo.
Recurra al grafeno para obtener respuestas
Un supersólido que se forma por sí solo sin confinamiento artificial sigue siendo uno de los misterios más controvertidos de la física de la materia condensada. El equipo de Dean adoptó un enfoque diferente al trabajar con grafeno, un material natural hecho de capas individuales de átomos de carbono. El grupo incluía a Li, quien realizó el trabajo mientras era postdoctorado en Columbia, y Yihang Zheng, un ex estudiante de doctorado en el grupo (ahora profesor asistente en la Universidad Purdue).
El grafeno puede soportar partículas conocidas como excitones. Estas cuasipartículas aparecen cuando dos láminas de grafeno delgadas como un átomo se apilan y sintonizan de modo que una capa tenga electrones adicionales y la otra tenga agujeros adicionales (que quedan cuando los electrones abandonan la capa en respuesta a la luz). Dado que los electrones llevan una carga negativa y los huecos actúan como cargas positivas, los dos pueden unirse para formar excitones. Bajo un fuerte campo magnético, estos excitones pueden comportarse colectivamente como un superfluido.
Un sorprendente cambio de fase en un material 2D
Los materiales bidimensionales como el grafeno son herramientas poderosas para estudiar el comportamiento cuántico porque sus propiedades pueden ajustarse cuidadosamente. Los investigadores pueden controlar factores como la temperatura, los campos electromagnéticos e incluso el espacio entre capas. Mientras el equipo de Dean ajustaba estos parámetros, notaron un patrón inesperado relacionado con la densidad y la temperatura de los excitones.
Cuando los excitones están densamente empaquetados, fluyen libremente como un superfluido. A medida que disminuye la densidad, el flujo se detiene por completo y el sistema se convierte en un aislante. El aumento de la temperatura restablece el comportamiento superfluido. Esta secuencia va en contra de suposiciones de larga data sobre cómo funciona la superfluidez.
“La superfluidez generalmente se considera el estado fundamental de baja temperatura”, dijo Lee. “La observación de una fase aislante que se funde en un superfluido no tiene precedentes. Esto sugiere fuertemente que la fase de baja temperatura es un sólido excitable muy inusual”.
¿Es realmente un supersólido?
Si este estado califica plenamente como supersólido sigue siendo una cuestión abierta. “Nos quedan algunas conjeturas, porque nuestra capacidad para interrogar a los aisladores es algo limitada”, explicó Dean: su capacidad es medir el transporte, y los aisladores no transportan corriente. “Por ahora, estamos explorando los límites de este estado aislante, mientras desarrollamos nuevas herramientas para medirlo directamente”.
¿Qué sigue para Supersolid?
El equipo ahora está investigando otros materiales en capas que pueden albergar fases cuánticas similares. En el grafeno bicapa, los superfluidos excitónicos y posiblemente los supersólidos aparecen sólo bajo fuertes campos magnéticos. Otros materiales son difíciles de fabricar en la configuración requerida, pero permiten que los excitones permanezcan estables a altas temperaturas y sin necesidad de un campo magnético.
Ser capaz de controlar superfluidos en materiales bidimensionales podría tener implicaciones de gran alcance. En comparación con el helio, por ejemplo, los excitones son miles de veces más ligeros, por lo que pueden formar estados cuánticos externos a temperaturas mucho más altas. Aunque los supersólidos aún no se comprenden completamente, estos resultados proporcionan pruebas sólidas de que los materiales 2D desempeñarán un papel central a la hora de desentrañar cómo funciona esta extraña fase cuántica.
