Los físicos crean un supersólido 2-D que fluye sin fricción, una primicia mundial

Crédito: IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch.

Casi 50 años desde que los científicos imaginaron qué aspecto tendría la supersolidez, un estado cuántico peculiar en el que los átomos están dispuestos en un patrón regular pero, al mismo tiempo, pueden fluir sin fricción, los investigadores ahora han demostrado un gas cuántico supersólido bidimensional en el laboratorio para la primera vez.

En un gas descrito por la física clásica, teóricamente podría etiquetar cada uno de los átomos constituyentes del gas y siempre conocer su posición y momento. Sin embargo, nunca se puede conocer este tipo de información para cada partícula individualmente en un gas cuántico.

A temperaturas relativamente altas, el modelo de gas clásico es una buena aproximación para el comportamiento del fluido. Después de todo, los ingenieros han estado usando ecuaciones de física clásica durante décadas y nuestros aviones vuelan bien y de manera predecible, por ejemplo. Sin embargo, a temperaturas muy bajas que se acercan al cero absoluto, los átomos y las moléculas se vuelven lentos, y el comportamiento de los fluidos se describe con mayor precisión como un gas cuántico, un comportamiento que puede ser bastante difícil de comprender.

Por ejemplo, a 0,000001 grados por encima del cero absoluto, los átomos se empaquetan tan densamente que se comportan como un superátomo, actuando al unísono. Los átomos pueden formar una forma exótica de materia llamada condensado de Bose-Einstein (BEC), también conocido como el quinto estado de la materia, en el que los átomos individuales están completamente deslocalizados. Esto significa que el mismo átomo existe en cada punto dentro del condensado en un momento dado, algo que no tiene sentido desde la perspectiva de la física clásica. Es lo que es.

Los fluidos cuánticos como los BEC tienden a exhibir algunos comportamientos macroscópicos cuánticos, como superfluidez (flujo de fluido con viscosidad cero) o superconductividad (flujo eléctrico con resistencia cero). Aparentemente, también existen los supersólidos, materiales extraños cuyos átomos están dispuestos en una red ordenada pero que, sin embargo, fluyen sin fricción.

En 2019, investigadores dirigidos por Francesca Ferlaino, física de la Universidad de Innsbruck en Austra, demostraron por primera vez un estado supersólido en un gas cuántico ultrafrío de átomos magnéticos. Sin embargo, este esfuerzo solo pudo alcanzar estados supersólidos en una cadena de gotas unidimensionales. Ahora, los investigadores han ampliado los límites al extender este fenómeno a dos dimensiones.

Normalmente, uno pensaría que cada átomo se encontraría en una gota específica, sin forma de interponerse entre ellos, dice Matthew Norcia del equipo de Francesca Ferlainos.

Sin embargo, en el estado supersólido, cada partícula se deslocaliza en todas las gotitas, existiendo simultáneamente en cada gotita. Básicamente, tienes un sistema con una serie de regiones de alta densidad (las gotas) que comparten los mismos átomos deslocalizados.

La estructura cristalina bidimensional está encerrada en una estructura rígida pero también deslocalizada al mismo tiempo, un fenómeno que hace posible la fuerte polaridad de los átomos magnéticos ultra enfriados. Al hacerlo, los físicos han creado una estructura sólida con las propiedades de un superfluido.

Como cualquier experimento respetable de física cuántica, esta investigación abre más preguntas de las que responde. Por ejemplo, no está claro si es posible hacer supersólidos a mayor escala.

Los hallazgos aparecieron en la revista Nature.

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