7 de noviembre de 2024 | Benedicte Rey, AFP
En un avance trascendental en la física cuántica, un equipo de científicos ha logrado agitar por primera vez un «supersólido», una forma de materia extraña que combina las propiedades de un sólido y un superfluido. Este experimento proporciona evidencia directa de la inusual dualidad de esta materia cuántica, que ha fascinado a los investigadores durante más de medio siglo.
Estados Exóticos de la Materia
En la vida cotidiana, conocemos cuatro estados de la materia: sólido, líquido, gas y plasma. Sin embargo, los físicos han estado investigando durante años estados exóticos de la materia, los cuales se producen bajo condiciones extremas, ya sea de temperaturas cercanas al cero absoluto (–273.15°C) o de altísimos niveles de energía. Bajo estas condiciones extremas, la materia comienza a comportarse de maneras completamente distintas a las que estamos acostumbrados.
Uno de estos estados exóticos es el de los superfluidos, que se caracterizan por tener una viscosidad igual a cero, lo que les permite fluir sin resistencia. En condiciones normales, si se agita un líquido como el agua, eventualmente se detendrá debido a la fricción interna. En cambio, un superfluido, como el helio a temperaturas cercanas al cero absoluto, podría fluir indefinidamente sin perder velocidad.
Hace más de 50 años, los científicos predijeron la existencia de un estado aún más extraño de la materia, el supersólido. Este estado combina las propiedades de un sólido y un superfluido: una estructura cristalina rígida, pero en la que una parte de los átomos puede moverse sin fricción, como si fueran un superfluido.
El Primer Experimento de Agitación de un Supersólido
Aunque los investigadores ya habían observado las estructuras cristalinas dentro de los supersólidos, hasta ahora no se había logrado ver directamente cómo esta materia fluye. El equipo de la Universidad de Innsbruck, dirigido por la física Francesca Ferlaino, ha realizado un estudio innovador que demuestra cómo se puede agitar un supersólido y observar el comportamiento cuántico peculiar de su flujo.
El estudio fue publicado en la prestigiosa revista Nature el 6 de noviembre de 2024. Utilizando campos magnéticos extremadamente precisos, los científicos agitaron su supersólido de átomos y lograron observar los vórtices cuantizados, que son considerados la «prueba definitiva» de la superfluidez.
La Prueba de la Dualidad Cuántica
Para entender cómo funciona un vórtice en un superfluido, imagina que tienes una taza de café y la agitas con una cuchara. En un líquido común, el café comenzaría a girar, y en el centro podrías ver un vórtice donde el líquido fluye más rápido. En cambio, en un superfluido, si giras la cuchara, el líquido no se movería con la cuchara. No rotaría en absoluto.
Sin embargo, si se aumenta la velocidad de la agitación, en lugar de crear un solo vórtice, aparecen múltiples vórtices diminutos, que giran a velocidades específicas y se organizan en patrones regulares, como los agujeros de un queso Gruyère perfectamente distribuidos. Esta es la característica clave de los vórtices cuantizados, que son pequeños agujeros en el superfluido que giran a velocidades precisas, revelando la superfluidez que coexiste con la estructura sólida del material.
Implicaciones del Descubrimiento
Este descubrimiento tiene implicaciones importantes para la comprensión de fenómenos extremos en el universo, como los que ocurren en el interior de las estrellas de neutrones. Estas estrellas, que son los remanentes densos de estrellas masivas después de una explosión supernova, tienen núcleos increíblemente compactos y densos donde se cree que se pueden formar vórtices superfluidos. Los «fallos» observados en la rotación de algunas estrellas de neutrones podrían estar relacionados con estos vórtices atrapados en su interior.
Según Thomas Bland, uno de los investigadores que trabajó en el proyecto, «se supone que el cambio en la velocidad de rotación observado en las estrellas de neutrones – los llamados ‘glitches’ – se deben a los vórtices superfluidos atrapados dentro de ellas». Esto sugiere que el estudio de los supersólidos podría ayudarnos a simular y entender mejor fenómenos astronómicos que ocurren bajo condiciones extremas.
Un Paso Más Hacia la Simulación de Fenómenos Cuánticos
El avance de la investigación abre la puerta a nuevos experimentos en los que los científicos podrían simular fenómenos que solo ocurren bajo condiciones extremadamente raras y difíciles de replicar. Los investigadores esperan que esta nueva comprensión de los supersólidos permita explorar aspectos aún más profundos de la física cuántica, desde los vórtices superfluidos hasta otros comportamientos extraños que ocurren en el universo.
El descubrimiento de que los supersólidos pueden ser agitados y sus vórtices cuantizados observados de manera controlada es un hito en la física cuántica y abre nuevas posibilidades para la investigación de la materia en condiciones extremas. Este es solo el comienzo de lo que podría ser una nueva era en el estudio de la física de estados exóticos de la materia.
Fuentes
- AFP
- Nature Journal
