Los científicos acaban de observar cómo una extraña fase de la materia se transformaba en una aún más extraña. Por primera vez, vieron cómo un superfluido se transformaba en un supersólido, una transición que ni siquiera estaban seguros de que fuera posible.
En un estudio publicado el 28 de enero en la revista Nature, investigadores observaron un grupo de excitones (cuasipartículas que combinan un electrón y un hueco electrónico) transformándose de un superfluido a un supersólido y viceversa. Es la primera vez que se observa la condensación de excitones en un supersólido, experimentando una transición de fase reversible, similar a la del agua, que puede transformarse de líquido a hielo y viceversa.
Fases secretas de la materia
Existen muchas más fases de la materia que las tres típicas que encontramos a diario (gases, líquidos y sólidos), aunque la mayoría de estos otros estados de la materia solo existen en condiciones extremas. Los superfluidos son un tipo que se produce únicamente cuando algunas partículas, como los isótopos de helio y los excitones, se enfrían justo por encima del cero absoluto (la ausencia total de calor). No son exactamente líquidos: fluyen sin resistencia por fricción y, al agitarse, forman pequeños tornados eternos llamados vórtices cuánticos.
Los supersólidos, por otro lado, son un estado de la materia que, según la teoría, existe cuando los superfluidos se enfrían aún más. Mantienen la viscosidad cero de la superfluidez, pero en lugar de que las partículas se muevan en una masa líquida, forman una estructura ordenada, como una red cristalina, a la vez que conservan su capacidad de fluir y formar vórtices cuánticos.
Ya se han creado supersólidos en laboratorios, como en 2021, cuando investigadores crearon disprosio supersólido 2D, y en 2024, cuando observaron vórtices cuánticos en un supersólido. Sin embargo, esto solo se logró utilizando equipo y energía adicionales para forzar la formación de partículas en una red ordenada. El nuevo estudio, en cambio, demuestra una transición de fase natural.
“Por primera vez, hemos visto un superfluido experimentar una transición de fase para convertirse en lo que parece ser un supersólido”, dijo en un comunicado Cory Dean, físico de la Universidad de Columbia y coautor del estudio.
Explorando nuevos límites
Para lograrlo, los investigadores colocaron dos trozos de grafeno —que es como una hoja de papel muy fina compuesta exclusivamente de átomos de carbono— muy cerca uno del otro. Luego, añadieron un campo magnético intenso y enfriaron el sistema para formar una “sopa” de excitones.
Al enfriarse a una temperatura de entre 1,5 y 4°C por encima del cero absoluto, los excitones formaron un superfluido. Al enfriarse a una temperatura superior, los excitones pasaron a una misteriosa nueva fase eléctricamente aislante que, según el equipo, podría ser el supuesto estado supersólido.
“La superfluidez se considera generalmente como el estado fundamental de baja temperatura”, declaró Jia Li, físico de la Universidad de Texas en Austin y coautor del estudio. “Observar una fase aislante que se funde en un superfluido no tiene precedentes. Esto sugiere firmemente que la fase de baja temperatura es un sólido excitónico muy inusual”.
El equipo está buscando otros materiales para probar, además de encontrar nuevas formas de medir y estudiar el estado supersólido del excitón.
“Por ahora, estamos explorando los límites en torno a este estado aislante, a la vez que desarrollamos nuevas herramientas para medirlo directamente”, afirmó Dean. Estudios posteriores ayudarán a los científicos a comprender el comportamiento de los supersólidos y los superfluidos, profundizar nuestra comprensión de la física de partículas y trabajar en aplicaciones de supersólidos a mayor temperatura.
Fuente: Live Science.