Giros supersólidos en sincronía
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Los supersólidos, un estado de la materia que combina la rigidez de un sólido con el flujo sin fricción de un superfluido, muestran una sorprendente sincronización cuando giran. Los investigadores de Innsbruck descubrieron que los vórtices cuánticos -pequeños remolinos en el fluido cuántico- hacen que la precesión y la revolución de la estructura cristalina del superfluido sincronicen su movimiento. Este descubrimiento proporciona una nueva herramienta para estudiar las propiedades fundamentales de los sistemas cuánticos.
Un supersólido es un estado paradójico de la materia: es rígido como un cristal pero fluye sin fricción como un superfluido. Esta forma exótica de materia cuántica sólo se ha observado recientemente en gases cuánticos dipolares. Los investigadores dirigidos por Francesca Ferlaino se propusieron explorar cómo interactúan las propiedades sólidas y superfluidas de un supersólido, sobre todo bajo rotación. En sus experimentos, hicieron girar un gas cuántico supersólido utilizando un campo magnético cuidadosamente controlado y observaron un fenómeno sorprendente: "Las gotitas cuánticas del supersólido están en un orden periódico similar al cristal, todas revestidas por un superfluido entre ellas", explica Francesca Ferlaino. "Cada gotita precesa siguiendo la rotación del campo magnético externo; todas giran colectivamente. Cuando un vórtice entra en el sistema, la precesión y la revolución comienzan a girar sincrónicamente".
"Lo que nos sorprendió fue que el cristal supersólido no sólo rotaba caóticamente", dice Elena Poli, que dirigió el modelado teórico. "Una vez que se formaron los vórtices cuánticos, toda la estructura entró en ritmo con el campo magnético externo, como si la naturaleza encontrara su propio compás".
Andrea Litvinov, que dirigió los experimentos, añade: "Fue emocionante ver cómo los datos se alineaban de repente con la teoría. Hubo un momento en el que el sistema simplemente 'entró en ritmo'".
Una nueva sonda para la materia cuántica
La sincronización se produce cuando dos o más sistemas entran en ritmo entre sí. Es común en la naturaleza, como los relojes de péndulo que hacen tictac al unísono, las luciérnagas que parpadean juntas o las células del corazón que laten sincronizadas. El equipo de Innsbruck ha demostrado que incluso la materia cuántica exótica puede sincronizarse.
El descubrimiento no sólo profundiza en el conocimiento de este inusual estado de la materia, sino que también ofrece una nueva y poderosa forma de sondear los sistemas cuánticos. Gracias al seguimiento de la sincronización, el equipo pudo determinar la frecuencia crítica a la que aparecen los vórtices, una propiedad fundamental de los fluidos cuánticos en rotación que ha sido difícil de medir directamente.
El equipo combinó simulaciones avanzadas con delicados experimentos con átomos ultrafríos de disprosio, enfriados a sólo milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. Utilizando una técnica llamada magnetostirring, pudieron hacer girar el supersólido y captar su evolución con gran precisión.
Del laboratorio al cosmos
Los hallazgos podrían tener implicaciones más allá del laboratorio. Se cree que una dinámica de vórtices similar interviene en los "fallos" repentinos observados en las estrellas de neutrones, algunos de los objetos más densos del universo. "Los supersólidos son un terreno de juego perfecto para explorar cuestiones que de otro modo resultarían inaccesibles", afirma Poli. "Aunque estos sistemas se crean en trampas de laboratorio de tamaño micrométrico, su comportamiento puede hacerse eco de fenómenos a escalas cósmicas".
"Este trabajo ha sido posible gracias a la estrecha colaboración entre teoría y experimento, y a la creatividad de los jóvenes investigadores de nuestro equipo", afirma la directora del grupo, Francesca Ferlaino, del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austriaca de Ciencias (ÖAW). La investigación se llevó a cabo en colaboración con el Centro Pitaevskii BEC de la Universidad de Trento.
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