Supersólido. ETH Zurich / Julian Léonard

Durante medio siglo los cient√≠ficos han predicho la existencia de un ex√≥tico estado de la materia, el ‚Äúquinto‚ÄĚ seg√ļn se mire, o simplemente ‚Äúuno nuevo‚ÄĚ. Hablamos de ese estado imposible que tiene caracter√≠sticas de l√≠quidos y s√≥lidos al mismo tiempo. Han demostrado el estado supers√≥lido en un experimento.

Durante mucho tiempo e incluso a√ļn hoy en las escuelas, cuando los m√°s peque√Īos comienzan a estudiar ciencia se les dice que la materia aparece en hasta cuatro formas principales: l√≠quido, s√≥lido gaseoso y plasma. Estos estados surgen dependiendo de condiciones tales como la temperatura o la presi√≥n.

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En 1996, un grupo de investigadores entre los que se encontraba John Reppy reciben el Premio Nobel de F√≠sica por el estado superfluido. ¬ŅUn 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, fluir√≠a interminablemente sin fricci√≥n.

A√Īos despu√©s, el propio Reppy y Philip W. Anderson (tambi√©n ganador del Nobel en 1977), comenzaron la tit√°nica tarea de tratar de demostrar un nuevo estado de la materia: el supers√≥lido.

¬ŅQu√© es exactamente supers√≥lido?

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

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Hablamos de un material s√≥lido en el sentido de que la totalidad de los √°tomos del helio-4 que lo componen est√°n congelados en una pel√≠cula cristalina r√≠gida (parecido a la configuraci√≥n de los √°tomos y las mol√©culas en un s√≥lido normal). Pero, y aqu√≠ est√° la gran diferencia con los s√≥lidos, cuando hablamos de ‚Äúcongelado‚ÄĚ no significa ‚Äúestacionario‚ÄĚ.

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.

Por tanto, este supuesto estado ser√≠a la mayor rareza y contradicci√≥n de la f√≠sica tradicional. De darse estar√≠amos ante un extra√Īo que tiene la estructura cristalina de un s√≥lido, mientras que fluye como un l√≠quido. Lo curioso del estado supers√≥lido es que las part√≠culas est√°n dispuestas en una estructura r√≠gida y s√≥lida pero tambi√©n puede fluir sin viscosidad, que como vimos es una caracter√≠stica clave de un superfluido.

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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 ¬Ņquinto? estado de la materia

Supersólido. ETH Zurich / Julian Léonard

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Como dec√≠amos, cuando la materia se enfr√≠a casi al cero absoluto, entonces surgen fen√≥menos extra√Īos. Entre ellos la supersolidez donde la estructura cristalina y el flujo sin fricci√≥n se producen a la vez. Eso es precisamente lo que han logrado los investigadores de ETH Zurich por primera vez a trav√©s de un extra√Īo experimento.

Los investigadores introdujeron una peque√Īa cantidad de gas de √°tomos de rubidio en una c√°mara de vac√≠o y lo enfriaron a una temperatura de unas pocas milmillon√©simas de grados kelvin por encima del cero absoluto, de modo que los √°tomos se condensaron en lo que se conoce como condensado de Bose-Einstein. Este es un estado cu√°ntico mec√°nico 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.

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La combinaci√≥n de estos dos campos de luz en las c√°maras de resonancia provoc√≥ que los √°tomos en el condensado adoptaran una estructura regular similar a la de un cristal. El condensado hab√≠a conservado sus propiedades superfluidas: los √°tomos en el condensado todav√≠a pod√≠an fluir sin ninguna entrada de energ√≠a, al menos en una direcci√≥n que no es posible en un s√≥lido ‚Äúnormal‚ÄĚ. Seg√ļn los investigadores:

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.

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¬ŅY ahora qu√©? Lo cierto es que nuestra vida no va a cambiar mucho con un nuevo estado de la materia. El hecho de que estos materiales s√≥lo puedan existir a temperaturas extremadamente bajas en condiciones de ultra vac√≠o significa que no son muy √ļtiles en este momento.

Pero una comprensi√≥n adicional de este extra√Īo estado de la materia podr√≠a conducir a mejoras en los superconductores y acabar ofreci√©ndonos materiales incre√≠blemente √ļtiles que conduzcan la electricidad sin resistencia. [Nature v√≠a Phys]