Supersólido

En física de la materia condensada, un supersólido es un material ordenado espacialmente con propiedades superfluidas. En el caso del helio-4, desde los años 60 se especula que sería posible crear un supersólido. A partir de 2017, varios experimentos con condensados atómicos de Bose-Einstein proporcionaron una prueba definitiva de la existencia de este estado. Las condiciones generales necesarias para que surja la supersolidez en una determinada sustancia son un tema de investigación en curso.

Fondo

Un supersólido es un estado cuántico especial de la materia en el que las partículas forman una estructura rígida y ordenada espacialmente, pero también fluyen con viscosidad cero. Esto contradice la intuición de que el flujo, y en particular el flujo superfluido con viscosidad cero, es una propiedad exclusiva del estado fluido, por ejemplo, fluidos superconductores de electrones y neutrones, gases con condensados de Bose-Einstein o líquidos no convencionales como el helio. 4 o helio-3 a una temperatura suficientemente baja. Por lo tanto, durante más de 50 años no estuvo claro si el estado supersólido puede existir.

Experimentos con helio

Si bien varios experimentos arrojaron resultados negativos, en la década de 1980, John Goodkind descubrió la primera anomalía en un sólido mediante el uso de ultrasonido. Inspirados por su observación, en 2004 Eun-Seong Kim y Moses Chan de la Universidad Estatal de Pensilvania observaron fenómenos que se interpretaron como un comportamiento supersólido. Específicamente, observaron un momento de inercia rotacional no clásico de un oscilador torsional. Esta observación no podía explicarse mediante modelos clásicos, pero era consistente con el comportamiento similar a un superfluido de un pequeño porcentaje de los átomos de helio contenidos en el oscilador.

Esta observación desencadenó una gran cantidad de estudios de seguimiento para revelar el papel desempeñado por los defectos del cristal o las impurezas de helio-3. Experimentaciones adicionales han arrojado algunas dudas sobre la existencia de un verdadero supersólido en el helio. Lo más importante es que se demostró que los fenómenos observados podrían explicarse en gran medida debido a cambios en las propiedades elásticas del helio. En 2012, Chan repitió sus experimentos originales con un nuevo aparato diseñado para eliminar tales contribuciones. En este experimento, Chan y sus coautores no encontraron evidencia de supersolidez.

Experimentos con gases cuánticos ultrafríos

En 2017, dos grupos de investigación de ETH Zurich y del MIT informaron sobre la creación de un gas cuántico ultrafrío con propiedades supersólidas. El grupo de Zurich colocó un condensado de Bose-Einstein dentro de dos resonadores ópticos, lo que mejoró las interacciones atómicas hasta que comenzaron a cristalizar espontáneamente y formar un sólido que mantiene la superfluidez inherente de los condensados de Bose-Einstein. Esta configuración crea una forma especial de supersólido, el llamado supersólido reticular, donde los átomos están fijados a los sitios de una estructura reticular impuesta externamente. El grupo del MIT expuso un condensado de Bose-Einstein en un potencial de doble pozo a haces de luz que crearon un acoplamiento eficaz entre órbita y giro. La interferencia entre los átomos en los dos sitios de red acoplados entre órbita y espín dio lugar a una modulación de densidad característica.

En 2019, tres grupos de Stuttgart, Florencia e Innsbruck observaron propiedades supersólidas en condensados dipolares de Bose-Einstein formados a partir de átomos de lantánidos. En estos sistemas, la supersolidez surge directamente de las interacciones atómicas, sin necesidad de una red óptica externa. Esto facilitó también la observación directa del flujo de superfluidos y, por tanto, la prueba definitiva de la existencia del estado supersólido de la materia.

En 2021, se utilizó disprosio para crear un gas cuántico supersólido bidimensional. En 2022, el mismo equipo creó un disco supersólido en una trampa redonda.

En 2021, se utilizó electrodinámica cuántica de cavidad confocal con un condensado de Bose-Einstein para crear un supersólido que posee una propiedad clave de los sólidos: la vibración. Es decir, se creó un supersólido que posee fonones reticulares con una dispersión en modo Goldstone que exhibe una velocidad de sonido de 16 cm/s.

Teoría

En la mayoría de las teorías sobre este estado, se supone que las vacantes (lugares vacíos normalmente ocupados por partículas en un cristal ideal) conducen a la supersolidez. Estas vacantes son causadas por la energía del punto cero, que también hace que se muevan de un sitio a otro en forma de ondas. Debido a que las vacantes son bosones, si tales nubes de vacantes pueden existir a temperaturas muy bajas, entonces podría ocurrir una condensación de vacantes de Bose-Einstein a temperaturas inferiores a unas pocas décimas de Kelvin. Un flujo coherente de vacantes equivale a un "superflujo" (flujo sin fricción) de partículas en dirección opuesta. A pesar de la presencia del gas de vacantes, la estructura ordenada de un cristal se mantiene, aunque con menos de una partícula en cada sitio de la red en promedio. Alternativamente, un supersólido también puede surgir de un superfluido. En esta situación, que se realiza en los experimentos con condensados atómicos de Bose-Einstein, la estructura ordenada espacialmente es una modulación además de la distribución de densidad del superfluido.