Salto Cuántico: Físicos logran por primera vez una transición reversible de superfluido a supersólido

Estados Unidos - Agencia de Noticias Ekhbary

Salto Cuántico: Físicos logran por primera vez una transición reversible de superfluido a supersólido

En un avance revolucionario que empuja los límites de la mecánica cuántica y la física de la materia condensada, un equipo internacional de físicos ha observado con éxito una transición de fase reversible de un estado superfluido a un estado supersólido, y viceversa. Este logro sin precedentes, detallado en un estudio reciente publicado en la prestigiosa revista Nature el 28 de enero, marca la primera vez que se presencia una transformación natural y reversible de este tipo, involucrando específicamente un tipo de cuasipartícula conocida como excitones. El descubrimiento abre vías completamente nuevas para comprender y manipular estados exóticos de la materia en condiciones extremas, lo que podría revolucionar campos desde la computación cuántica hasta la investigación fundamental en física.

El avance del equipo de investigación se centra en los excitones, fascinantes cuasipartículas formadas cuando un electrón y un hueco de electrón se unen. Al controlar meticulosamente las condiciones ambientales, los científicos lograron guiar estos excitones a través de una secuencia de cambios de fase que desafían la comprensión convencional de la materia. Si bien la existencia de superfluidos y supersólidos ha sido teorizada y, en algunos casos, creada experimentalmente, la capacidad de inducir una transición espontánea y reversible entre estos dos estados altamente inusuales representa un salto significativo. Esto es similar a observar el agua congelarse espontáneamente en hielo y luego derretirse de nuevo en líquido, pero a nivel cuántico con propiedades mucho más complejas.

Para apreciar la magnitud de este descubrimiento, es esencial comprender los superfluidos y los supersólidos. Los superfluidos son un estado de la materia que emerge cuando ciertas partículas, como los isótopos de helio o los excitones, se enfrían a temperaturas justo por encima del cero absoluto, el punto en el que cesa todo movimiento atómico. A diferencia de los líquidos convencionales, los superfluidos exhiben viscosidad cero, lo que significa que pueden fluir sin ninguna resistencia por fricción. Cuando se agitan, forman vórtices microscópicos persistentes conocidos como vórtices cuánticos, un testimonio de sus peculiares propiedades mecánico-cuánticas. Son, en esencia, líquidos sin fricción capaces de desafiar aparentemente la gravedad y fluir indefinidamente.

Los supersólidos, por otro lado, son un estado de la materia aún más enigmático. Se teoriza que existen cuando los superfluidos se enfrían aún más, poseen la característica de flujo sin fricción de los superfluidos, pero también exhiben una estructura rígida y ordenada, muy similar a una red cristalina. Imagine un material que sea a la vez un fluido perfecto y un cristal perfecto simultáneamente, un concepto que desafía la comprensión intuitiva. Antes de este estudio, los supersólidos se habían creado en laboratorios, notablemente con átomos de disprosio en 2021 y mediante la observación de vórtices cuánticos en un supersólido en 2024. Sin embargo, estos experimentos anteriores típicamente se basaban en equipos y energía externos para obligar a las partículas a formar una red ordenada, forzando efectivamente el estado supersólido. La nueva investigación se distingue por demostrar una transición de fase natural y espontánea.

"Por primera vez, hemos visto un superfluido experimentar una transición de fase para convertirse en lo que parece ser un supersólido", declaró Cory Dean, físico de la Universidad de Columbia y coautor del estudio fundamental. Esta observación es crucial porque sugiere un mecanismo fundamental para la formación de supersólidos que no requiere andamiaje externo, validando predicciones teóricas de larga data.

La configuración experimental implicó un diseño notablemente simple pero ingenioso. Los investigadores colocaron dos láminas ultradelgadas de grafeno, un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono, en una proximidad extremadamente cercana. Luego, se aplicó un fuerte campo magnético y se enfrió todo el sistema para crear una "sopa" de excitones. Cuando la temperatura se redujo con precisión entre 2,7 y 7,2 grados Fahrenheit (1,5 a 4 grados Celsius) por encima del cero absoluto, los excitones se fusionaron en un superfluido. Crucialmente, cuando el sistema se enfrió aún más, los excitones se transformaron en una nueva fase misteriosa y eléctricamente aislante, que el equipo de investigación sospecha fuertemente que es el estado supersólido teorizado. La capacidad de revertir este proceso calentando ligeramente el sistema solidificó aún más sus conclusiones.

Este descubrimiento tiene profundas implicaciones para la física fundamental. Proporciona una plataforma robusta para estudiar la interacción entre la mecánica cuántica, la termodinámica y la estructura de los materiales en entornos extremos. Además, comprender cómo estos estados exóticos transitan naturalmente podría allanar el camino para nuevas aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo, el flujo sin fricción de superfluidos y supersólidos podría inspirar nuevos enfoques para la transmisión de energía o la computación cuántica, donde minimizar la disipación es primordial. La naturaleza natural y reversible de esta transición ofrece una nueva lente a través de la cual los científicos pueden explorar los complejos paisajes de la materia cuántica, revelando potencialmente fenómenos y propiedades completamente nuevos aún por imaginar.

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