Supersólido. ETH Zurich / Julian Léonard

Durante medio siglo los científicos han predicho la existencia de un exótico estado de la materia, el “quinto” según se mire, o simplemente “uno nuevo”. Hablamos de ese estado imposible que tiene características de líquidos y sólidos al mismo tiempo. Han demostrado el estado supersólido en un experimento.

Durante mucho tiempo e incluso aún hoy en las escuelas, cuando los más pequeños comienzan a estudiar ciencia se les dice que la materia aparece en hasta cuatro formas principales: líquido, sólido gaseoso y plasma. Estos estados surgen dependiendo de condiciones tales como la temperatura o la presión.

En 1996, un grupo de investigadores entre los que se encontraba John Reppy reciben el Premio Nobel de Física por el estado superfluido. ¿Un nuevo estado de la materia? El superfluido es un estado caracterizado por la ausencia total de viscosidad (lo cual lo diferencia de una sustancia muy fluida) de manera que, en un circuito cerrado, fluiría interminablemente sin fricción.

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Años después, el propio Reppy y Philip W. Anderson (también ganador del Nobel en 1977), comenzaron la titánica tarea de tratar de demostrar un nuevo estado de la materia: el supersólido.

¿Qué es exactamente supersólido?

Foto: T-L. Ho et al/Physical Review Letters

Hablamos de un material sólido en el sentido de que la totalidad de los átomos del helio-4 que lo componen están congelados en una película cristalina rígida (parecido a la configuración de los átomos y las moléculas en un sólido normal). Pero, y aquí está la gran diferencia con los sólidos, cuando hablamos de “congelado” no significa “estacionario”.

Como la película de helio-4 es tan fría (una décima de grado sobre el cero absoluto), comienzan a imperar las leyes de incertidumbre cuántica. En realidad lo que ocurre entonces es que los átomos de helio se comportan como si fueran solidos y fluidos a la vez, de ahí su nombre: supersólido.

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Por tanto, este supuesto estado sería la mayor rareza y contradicción de la física tradicional. De darse estaríamos ante un extraño que tiene la estructura cristalina de un sólido, mientras que fluye como un líquido. Lo curioso del estado supersólido es que las partículas están dispuestas en una estructura rígida y sólida pero también puede fluir sin viscosidad, que como vimos es una característica clave de un superfluido.

El estado supersólido fue predicho por los físicos rusos en 1969, con la hipótesis de que el helio-4 podría mostrar propiedades sólidas y líquidas simultáneamente bajo ciertas condiciones. Durante mucho tiempo, los investigadores asumieron que sería imposible crear tal estructura. Y lo cierto es que hasta ahora nadie había sido capaz de demostrar que era realmente posible. Ni siquiera Reppy y Anderson.

El primer ejemplo del ¿quinto? estado de la materia

Supersólido. ETH Zurich / Julian Léonard

Como decíamos, cuando la materia se enfría casi al cero absoluto, entonces surgen fenómenos extraños. Entre ellos la supersolidez donde la estructura cristalina y el flujo sin fricción se producen a la vez. Eso es precisamente lo que han logrado los investigadores de ETH Zurich por primera vez a través de un extraño experimento.

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Los investigadores introdujeron una pequeña cantidad de gas de átomos de rubidio en una cámara de vacío y lo enfriaron a una temperatura de unas pocas milmillonésimas de grados kelvin por encima del cero absoluto, de modo que los átomos se condensaron en lo que se conoce como condensado de Bose-Einstein. Este es un estado cuántico mecánico peculiar que se comporta como un superfluido.

Los investigadores colocaron este condensado en un dispositivo con dos cámaras de resonancia óptica entrecruzadas donde cada una de las cuales constaba de dos espejos opuestos diminutos. Entonces el condensado se iluminó con luz láser, que se dispersó en ambas direcciones de estas dos cámaras.

La combinación de estos dos campos de luz en las cámaras de resonancia provocó que los átomos en el condensado adoptaran una estructura regular similar a la de un cristal. El condensado había conservado sus propiedades superfluidas: los átomos en el condensado todavía podían fluir sin ninguna entrada de energía, al menos en una dirección que no es posible en un sólido “normal”. Según los investigadores:

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Hemos sido capaces de producir este estado especial en el laboratorio gracias a una configuración sofisticada que nos permitió hacer las dos cámaras de resonancia idénticas para los átomos.

Con el experimento llevaban a la práctica un concepto teórico de 1969. Curiosamente y casi al mismo tiempo, ha salido un segundo estudio independiente en Nature. Un grupo de investigadores del MIT también anunciaban que habían logrado evidencia de supersólido, aunque con un enfoque diferente.

¿Y ahora qué? Lo cierto es que nuestra vida no va a cambiar mucho con un nuevo estado de la materia. El hecho de que estos materiales sólo puedan existir a temperaturas extremadamente bajas en condiciones de ultra vacío significa que no son muy útiles en este momento.

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Pero una comprensión adicional de este extraño estado de la materia podría conducir a mejoras en los superconductores y acabar ofreciéndonos materiales increíblemente útiles que conduzcan la electricidad sin resistencia. [Nature vía Phys]