Físicos crean el primer supersólido bidimensional

Un equipo de físicos han creado el primer supersólido bidimensional: una fase extraña de la materia que se comporta como un sólido y un líquido sin fricción al mismo tiempo.

Los supersólidos son materiales cuyos átomos están dispuestos en una estructura cristalina regular y repetitiva, pero que también pueden fluir para siempre sin perder energía cinética. A pesar de sus extrañas propiedades, que parecen violar muchas de las leyes conocidas de la física, los físicos las han predicho teóricamente durante mucho tiempo: aparecieron por primera vez como una sugerencia en el trabajo del físico Eugene Gross ya en 1957.

Ahora, utilizando láseres y gases superfríos, los físicos finalmente han logrado que un supersólido se convierta en una estructura 2D, un avance que podría permitir a los científicos descifrar la física más profunda detrás de las misteriosas propiedades de la fase de materia extraña.

De particular interés para los investigadores es cómo se comportarán sus supersólidos 2D cuando se hagan girar en un círculo, junto con los pequeños remolinos o vórtices que aparecerán dentro de ellos.

Matthew Norcia, físico del Instituto Cuántico de la Universidad de Innsbruck, y autor principal del estudio, dijo en un comunicado:

“Esperamos que haya mucho que aprender del estudio de las oscilaciones rotacionales, por ejemplo, así como de los vórtices que pueden existir dentro de un sistema 2D con mucha más facilidad que en 1D”.

Para crear su supersólido, el equipo suspendió una nube de disprosio -164 átomos dentro de unas pinzas ópticas antes de enfriar los átomos justo por encima de cero Kelvin (menos 459.67 grados Fahrenheit, o menos 273.15 grados Celsius) utilizando una técnica llamada enfriamiento por láser.

Disparar un láser a un gas generalmente lo calienta, pero si los fotones (partículas de luz) en el rayo láser viajan en la dirección opuesta a las partículas de gas en movimiento, en realidad pueden hacer que las partículas de gas sean lentas y se enfríen. Después de enfriar los átomos de disprosio tanto como pudieron con el láser, los investigadores aflojaron el “agarre” de sus pinzas ópticas, creando el espacio suficiente para que escapen los átomos más energéticos.

Dado que las partículas “más cálidas” se mueven más rápido que las más frías, esta técnica, llamada enfriamiento por evaporación, dejó a los investigadores solo con sus átomos súper enfriados; y estos átomos se habían transformado en una nueva fase de la materia: un condensado de Bose-Einstein: una colección de átomos que se han sobreenfriado hasta un punto del cero absoluto.

Cuando un gas se enfría a una temperatura cercana a cero, todos sus átomos pierden su energía y entran en los mismos estados energéticos.

Esto abre la puerta a algunos efectos cuánticos realmente extraños. Una regla clave del comportamiento cuántico, el principio de incertidumbre de Heisenberg, dice que no se puede conocer tanto la posición de una partícula como su impulso con absoluta precisión. Sin embargo, ahora que los átomos condensados ​​de Bose-Einstein ya no se mueven, se conoce todo su impulso. Esto lleva a que las posiciones de los átomos se vuelvan tan inciertas que los lugares que posiblemente podrían ocupar crecen hasta ser más grandes en área que los espacios entre los propios átomos.

Supersólidos unidimensionales y bidimensionales utilizando un gas ultrafrío de átomos de disprosio. Los colores representan la densidad de los sistemas, desde baja (negro) a alta (amarillo)
Supersólidos unidimensionales y bidimensionales utilizando un gas ultrafrío de átomos de disprosio. Los colores representan la densidad de los sistemas, desde baja (negro) a alta (amarillo). Imagen: Norcia et al. / Nature

En lugar de átomos discretos, entonces, los átomos superpuestos en la bola de condensado difusa de Bose-Einstein actúan como si fueran solo una partícula gigante. Esto le da a algunos condensados ​​de Bose-Einstein la propiedad de superfluidez, lo que permite que sus partículas fluyan sin fricción. De hecho, si removiera una taza de un condensado superfluido de Bose-Einstein, nunca dejaría de girar.

Los investigadores utilizaron disprosio-164 (un isótopo del disprosio) porque (junto con su vecino en la tabla periódica Holmio) es el más magnético de todos los elementos descubiertos. Esto significa que cuando los átomos de disprosio-164 se sobreenfriaron, además de convertirse en un superfluido, también se agruparon en gotitas, adhiriéndose entre sí como pequeños imanes de barra.

Al “ajustar cuidadosamente el equilibrio entre las interacciones magnéticas de largo alcance y las interacciones de contacto de corto alcance entre los átomos”, dijo Norcia, el equipo pudo hacer un tubo largo y unidimensional de gotitas que también contenía átomos de flujo libre: un supersólido 1D. Ese fue su trabajo anterior.

Para dar el salto de un supersólido 1D a un 2D, el equipo utilizó una trampa más grande y redujo la intensidad de los rayos de sus pinzas ópticas en dos direcciones. Esto, además de mantener suficientes átomos en la trampa para mantener una densidad lo suficientemente alta, finalmente les permitió crear una estructura de gotas en zig-zag, similar a dos tubos 1D desplazados uno al lado del otro, un supersólido 2D.

Con la tarea de su creación detrás de ellos, los físicos ahora quieren usar su supersólido 2D para estudiar todas las propiedades que surgen de tener esta dimensión extra. Por ejemplo, planean estudiar los vórtices que emergen y quedan atrapados entre las gotas de la matriz, especialmente porque estos remolinos de átomos arremolinados, al menos en teoría, pueden girar en espiral para siempre.

Esto también acerca a los investigadores un paso más hacia los supersólidos en 3D a granel previstos por propuestas tempranas como Gross, y las propiedades aún más extrañas que pueden tener.

Los hallazgos de la investigación han sido publicados en la revista Nature.

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