La materia ordinaria, al enfriarse, pasa de gas a líquido. Si se enfría aún más, se solidifica. Sin embargo, la materia cuántica puede comportarse de forma muy diferente. A principios del siglo XX, los investigadores descubrieron que, al enfriarse el helio, este pasa de ser un gas aparentemente ordinario a un superfluido. Los superfluidos fluyen sin perder energía, entre otras peculiaridades cuánticas, como la capacidad de salir de contenedores.
¿Qué ocurre al enfriar aún más un superfluido? La respuesta a esta pregunta ha eludido a los físicos desde que comenzaron a planteársela hace medio siglo.
Primeros indicios sólidos de un supersólido
En un artículo publicado hoy en Nature, un equipo dirigido por los físicos Cory Dean, de la Universidad de Columbia, y Jia Li, de la Universidad de Texas en Austin, ha observado que un superfluido, que normalmente permanece en constante movimiento, se detiene. “Por primera vez, hemos visto cómo un superfluido experimenta una transición de fase para convertirse en lo que parece ser un supersólido”, declaró Dean. Es como si el agua se congelara, pero a nivel cuántico.
Los supersólidos son la versión cuántica predicha de un sólido clásico, definido como una disposición fija de átomos en una red cristalina repetitiva. Los supersólidos, contrariamente a la intuición, pueden ser líquidos y sólidos a la vez: cristalinos, como los sólidos clásicos, pero se predice que exhiben el mismo flujo sin fricción que un superfluido.
A pesar de estas predicciones, nadie ha observado aún con certeza la transición de superfluido a supersólido en el helio, ni en ninguna otra materia natural. Investigadores de la subrama de la física atómica, molecular y óptica (AMO) han simulado versiones de supersólidos en los últimos años, pero empleando láseres y elementos ópticos para crear lo que se conoce como trampa periódica, que ayuda a que el fluido adopte un patrón cristalino, similar a la gelatina contenida en una cubitera.
El grafeno entra como plataforma
Un supersólido de formación espontánea seguía siendo un enigma, dejando sin resolver una de las grandes controversias de la física de la materia condensada. Esto fue así hasta que el equipo de Dean, que incluía a Li durante su posdoctorado en Columbia y a un exestudiante de doctorado, Yihang Zeng (ahora profesor adjunto en la Universidad de Purdue), recurrió a un cristal natural: el grafeno, una lámina de átomos de carbono de un solo átomo de espesor.
El grafeno puede albergar lo que se conoce como excitones. Estas cuasipartículas se forman al superponer láminas de grafeno de dos átomos de grosor y manipularlas de forma que una capa contenga electrones adicionales y la otra, huecos adicionales (que se forman cuando los electrones abandonan la capa en respuesta a la luz). Los electrones con carga negativa y los huecos con carga positiva pueden combinarse para formar excitones. Si se añade un campo magnético intenso, los excitones pueden formar un superfluido.
Los materiales 2D como el grafeno se han convertido en plataformas prometedoras para explorar y manipular fenómenos como la superfluidez y la superconductividad. Esto se debe a que existen diversos parámetros que los investigadores pueden ajustar, como la temperatura, los campos electromagnéticos e incluso la distancia entre las capas, para perfeccionar sus propiedades.
Una fase cuántica aislante inesperada
Cuando el equipo de Dean comenzó a controlar los excitones en sus muestras, observaron una relación inesperada entre la densidad de las cuasipartículas y la temperatura. A alta densidad, sus excitones se comportaban como un superfluido, pero al disminuir esta, dejaban de moverse y se convertían en aislantes. Al aumentar la temperatura, se recuperó la superfluidez.
“La superfluidez se considera generalmente como el estado fundamental de baja temperatura”, afirmó Li. “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”.
Entonces, ¿es un supersólido? “Nos queda especular, ya que nuestra capacidad para analizar aislantes se reduce un poco”, explicó Dean. Su especialidad son las mediciones de transporte, y los aislantes no transportan corriente. “Por ahora, estamos explorando los límites de este estado aislante, mientras desarrollamos nuevas herramientas para medirlo directamente”.
En busca de estados cuánticos de mayor temperatura
También están estudiando otros materiales estratificados. El superfluido excitónico, y probablemente supersólido, que se forma en el grafeno bicapa sólo lo hace con la ayuda de un campo magnético intenso. Las alternativas son algo más difíciles de fabricar en las configuraciones necesarias, pero podrían estabilizar las cuasipartículas a temperaturas aún más altas y sin necesidad de un imán.
Controlar un superfluido en un material 2D es una perspectiva emocionante: en comparación con el helio, por ejemplo, los excitones son miles de veces más ligeros, por lo que podrían formar estados cuánticos como superfluidos y supersólidos a temperaturas mucho más altas. El futuro de los supersólidos aún está por verse, pero ahora existen pruebas sólidas de que los materiales 2D ayudarán a los investigadores a comprender esta enigmática fase cuántica.
Fuente: Phys.org.