20.08.2021 - Universität Innsbruck

Supersólido en una nueva dimensión

Gas cuántico supersólido bidimensional producido en el laboratorio por primera vez

La materia cuántica puede ser sólida y fluida al mismo tiempo, una situación conocida como supersolidez. Investigadores dirigidos por Francesca Ferlaino han creado por primera vez esta fascinante propiedad en dos dimensiones. Ahora informan en la revista Nature de la realización de la supersolidez a lo largo de dos ejes de un gas cuántico ultrafrío. El experimento ofrece muchas posibilidades para seguir investigando este exótico estado de la materia.

Los gases cuánticos son muy adecuados para investigar las consecuencias microscópicas de las interacciones en la materia. Hoy en día, los científicos pueden controlar con precisión partículas individuales en nubes de gas extremadamente frías en el laboratorio, revelando fenómenos que no pueden observarse en el mundo cotidiano. Por ejemplo, los átomos individuales de un condensado de Bose-Einstein están completamente deslocalizados. Esto significa que el mismo átomo existe en cada punto del condensado en cualquier momento. Hace dos años, el grupo de investigación dirigido por Francesca Ferlaino, del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias de Innsbruck, consiguió por primera vez generar estados supersólidos en gases cuánticos ultrafríos de átomos magnéticos. La interacción magnética hace que los átomos se autoorganicen en gotas y se organicen en un patrón regular. "Normalmente, se pensaría que cada átomo se encuentra en una gota específica, sin que haya forma de pasar de una a otra", dice Matthew Norcia, del equipo de Francesca Ferlaino. "Sin embargo, en el estado supersólido, cada partícula está deslocalizada en todas las gotas, existiendo simultáneamente en cada una de ellas. Así que, básicamente, se tiene un sistema con una serie de regiones de alta densidad (las gotas) que comparten todos los mismos átomos deslocalizados." Esta extraña formación permite efectos como el flujo sin fricción a pesar de la presencia de orden espacial (superfluidez).

Nuevas dimensiones, nuevos efectos que explorar

Hasta ahora, los estados supersólidos en los gases cuánticos sólo se habían observado como una cadena de gotas (a lo largo de una dimensión). "En colaboración con los teóricos Luis Santos, de la Universidad Leibniz de Hannover, y Russell Bisset, de Innsbruck, hemos ampliado ahora este fenómeno a dos dimensiones, dando lugar a sistemas con dos o más filas de gotas", explica Matthew Norcia. Esto no sólo supone una mejora cuantitativa, sino que también amplía de forma crucial las perspectivas de investigación. "Por ejemplo, en un sistema supersólido bidimensional, se puede estudiar cómo se forman los vórtices en el hueco entre varias gotas adyacentes", dice. "Estos vórtices descritos en la teoría aún no han sido demostrados, pero representan una importante consecuencia de la superfluidez", asegura Francesca Ferlaino. El experimento que ahora se publica en la revista Nature crea nuevas oportunidades para seguir investigando la física fundamental de este fascinante estado de la materia.

Nuevo campo de investigación: Los supersólidos

Predicha hace 50 años, la supersolidez, con sus sorprendentes propiedades, se ha investigado ampliamente en el helio superfluido. Sin embargo, tras décadas de investigación teórica y experimental, aún no se había conseguido una prueba clara de la supersolidez en este sistema. Hace dos años, grupos de investigación de Pisa, Stuttgart e Innsbruck consiguieron por primera vez, de forma independiente, crear los llamados supersólidos a partir de átomos magnéticos en gases cuánticos ultrafríos. La base del nuevo y creciente campo de investigación de los supersólidos es la fuerte polaridad de los átomos magnéticos, cuyas características de interacción permiten crear este paradójico estado mecánico cuántico de la materia en el laboratorio.

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