Investigadores crean nueva forma de materia — un supersólido cristalino y superfluído al mismo tiempo.

Los físicos del MIT han creado una nueva forma de materia, un supersolido, que combina las propiedades de los sólidos con los superfluidos.

Esta imagen muestra el equipo utilizado por el grupo Ketterle para crear un superesolido. Crédito: Massachusetts Institute of Technology

 

Mediante el uso de láseres para manipular un gas superfluido conocido como  condensado de Bose-Einstein, el equipo fue capaz de persuadir el condensado a una fase cuántica de la materia que tiene una estructura rígida, como un sólido y pueden fluir sin viscosidad, una característica clave de un superfluido. Estudios en esta fase aparentemente contradictorio de la materia podrían rendir penetraciones más profundas en superfluidos y superconductores, que son importantes para mejoras en las tecnologías como imanes superconductores y sensores, así como transporte eficiente de la energía. Los investigadores divulgan sus resultados esta semana en la revista Nature.

"Es contrario a la intuición para tener un material que combina la superfluidez y solidez," dice el jefe del equipo  Wolfgang Ketterle, profesor de física del John D. MacArthur en el MIT. "Si su café fuera superfluido y se agitó, continuaría girando alrededor para siempre."

Los físicos habían predicho la posibilidad de supersólidos pero no los habían observado en el laboratorio. Teorizaron que el helio sólido podría ser superfluido si los átomos del helio podrían moverse alrededor de un cristal sólido de helio, convirtiéndose efectivamente en un supersolido. Sin embargo, la prueba experimental seguía siendo difícil de alcanzar.

El equipo utilizó una combinación de láser de refrigeración y evaporación de refrigeración, métodos, originalmente co-desarrollado por Ketterle, para enfriar átomos de sodio a temperaturas de nanokelvin. Los átomos de sodio son conocidos como bosones, por su número par de nucleones y electrones. Cuando se han enfriado hasta casi el cero absoluto, los bosons forman un estado superfluido de gas diluido, que se llama un condensado de Bose-Einstein, o BEC.

Ketterle co-descubridor de BECs — un descubrimiento que fue reconocido con el Premio Nobel de física en el 2001.

"El reto ahora era añadir algo a la CEB para asegurarse de que desarrolló una forma más allá de la forma de la 'trampa del átomo,' que es la característica definitoria de un sólido," explica Ketterle.

Lanzar la vuelta, encontrando las rayas

Para crear el estado supersólido, el equipo manipula el movimiento de los átomos del BEC con rayos láser, introduciendo "el acoplador spin-órbital."

En su cámara de ultraalto vacío, el equipo utilizó un conjunto inicial de láseres para convertir la mitad de los átomos de los condensados a un diferente estado cuántico o spin, esencialmente creando una mezcla de dos condensados de Bose-Einstein. Los rayos láseres adicionales transfieren átomos entre los dos condensados, llamados un "tirón de vuelta."

"Estos láseres extras dieron a los átomos 'spin-flipped' una patada extra para realizar el acoplamiento spin-orbit", dice Ketterle.

Los físicos habían predicho que un condensado de Bose-Einstein de spin-órbita unida sería un supersolido debido a una espontánea "modulación de la densidad". Como un sólido cristalino, la densidad de un supersolido ya no es constante y en su lugar un rizo u ondulado patrón llama la "fase de raya".

"La parte más difícil fue observar esta modulación de la densidad," dice Li Junru, un estudiante graduado del MIT que trabajó en el descubrimiento. Esta observación fue lograda con otro láser, el haz de las cuales fue difractado por la modulación de la densidad. "La receta del supersolido es realmente sencilla," Li añade, "pero fue un gran reto precisamente alinear todos los rayos láser y todo estable para observar la fase de la raya".

Mapeo de lo que es posible en la naturaleza

Actualmente, sólo existe el supersolido a muy bajas temperaturas bajo condiciones de ultra vacío. A futuro, el equipo planea realizar más experimentos en supersólidos y spin-órbita de acoplamiento, caracterizar y comprender las propiedades de la nueva forma de materia que han creado.

"Con nuestros átomos fríos, estamos trazando lo que es posible en la naturaleza," explica Ketterle. "Ahora que hemos comprobado experimentalmente que las teorías que predicen los supersólidos son correctas, esperamos inspirar a más investigación, posiblemente con resultados inesperados".

Varios grupos de investigación estaban trabajando en darse cuenta del primer supersolido. En el mismo problema de la naturaleza, un grupo en Suiza informó de una manera alternativa de convertir a un condensado de Bose-Einstein en un supersolido con la ayuda de espejos, que recogió la luz laser de la dispersión de los átomos. "La realización simultánea de dos grupos muestra cuán grande es el interés en esta nueva forma de materia,", dice Ketterle.