Hace más de medio siglo que los teóricos físicos predijeron la existencia de un exótico estado de la materia que se caracteriza por combinar la rigidez de los sólidos y la fluidez de los líquidos a nivel atómico: el llamado estado supersólido.

En este estado paradójico, las partículas se organizan regularmente como en un cristal, pero aún se mueven sin ninguna fricción interna como en un superfluido, eso significa que es firme y regular como un cristal, pero con un interior que se mueve suavemente.

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Propiedades contradictorias

Sin embargo, después de décadas de esfuerzos teóricos y experimentales, todavía falta una prueba inequívoca de la existencia del estado supersólido. Hasta ahora, se ha dado prioridad a demostrar este estado de la materia con sus propiedades contradictorias en el helio líquido, pero no se han logrado resultados claros.

Los investigadores evidenciaron la existencia del estado supersólido en gases cuánticos.

En este sentido, dos equipos de investigación, uno en el Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y otro en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria, ahora informan sobre la observación de las características distintivas de este estado exótico en los gases cuánticos de los elementos erbio y disprosio.

Experimentos recientes han demostrado que los gases cuánticos dipolares son fundamentalmente similares al helio superfluido. En experimentos realizados en dos gases cuánticos enfriados justo por encima del cero absoluto (-273,15 grados Celsius), los investigadores encontraron lo que buscaban: en este rango de temperatura, los átomos pierden completamente su individualidad y se comportan más como una onda.

Los investigadores identificaron un estado en el que decenas de miles de partículas de gas se autoensamblan espontáneamente en una estructura cristalina autodeterminada, mientras comparten una función de onda macroscópica común, ambas características del estado supersólido.

Estabilidad sin precedentes

Al enfocarse en las interacciones entre las partículas, los investigadores crearon experimentalmente estados que muestran estas características de supersolidez al ajustar la fuerza de interacción entre las partículas, tanto en los gases cuánticos del erbio como en los del disprosio.

Francesca Ferlaino, autora principal del estudio.

Al respecto, la investigadora Francesca Ferlaino, académica en el Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y autora principal del estudio, explicó:

“Mientras que en el erbio el comportamiento supersólido es solo transitorio, nuestros experimentos en el disprosio muestran una estabilidad sin precedentes. Aquí, el comportamiento supersólido no solo dura mucho tiempo, sino que también se puede lograr directamente mediante el enfriamiento por evaporación, a partir de una muestra térmica.”

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El principio aquí es eliminar las partículas que transportan la mayor parte de las energías para que el gas se enfríe más, y finalmente, alcance un estado estacionario de degeneración cuántica con propiedades supersólidas en el equilibrio térmico.

Estos resultados ofrecen interesantes perspectivas para realizar experimentos y teorías en el futuro cercano, y abre nuevas posibilidades para investigar la materia exótica, ya que el estado supersólido en este entorno se ve poco afectado por las dinámicas disipativas o las excitaciones, lo que allana el camino para sondear su espectro de excitación y su comportamiento superfluido.

Referencia: Long-Lived and Transient Supersolid Behaviors in Dipolar Quantum Gases. Physical Review X, 2019. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021012

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