Un nuevo estudio muestra cómo átomos de disprosio exhiben propiedades de supersólido y supefluido a la vez.
Logran establecer vórtices cuánticos para navegar entre dos estados: superfluido y supersólido. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz. - Dos estados cuánticos.
Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
7.11.2024
Un descubrimiento reciente abre perspectiva para una mejor comprensión de los estados de materia cuántica al revelar una transición singular entre el superfluido y el supersólido mediante la creación de vórtices cuánticos. Si habías oído hablar de la superfluidez y de la superconductividad, ahora le llega el turno a este nuevo descubrimiento. Estos estados exóticos ponen en cuestión los modelos convencionales de los sólidos y los líquidos, ademas de abrir nuevas posibilidades para investigar el comportamiento cuántico en escalas macroscópicas. A diferencia de los fluidos comunes, en los cuales la rotación forma remolinos continuos, en el mundo cuántico estos remolinos se producen en forma de vórtices discretos o "cuantizados", manifestando propiedades especiales como la superfluidez y la ruptura de simetrías. La coexistencia de estas características en los supersólidos son de gran interés para la física cuántica avanzada, con posibles aplicaciones en sistemas como los superconductores y la corteza de las estrellas de neutrones.
El estudio publicado en Nature Physics detalla cómo el equipo de investigación ha logrado crear y observar vórtices cuánticos en un gas de átomos de disprosio, que presenta tanto características de superfluido como de sólido. Este avance es significativo porque permite una exploración experimental más profunda de la dinámica hidrodinámica en los supersólidos, un tipo de materia que ha sido objeto de estudio intenso por su capacidad para romper simultáneamente simetrías de traslación y de fase. Esta investigación aporta evidencia inequívoca de superfluidez en el estado de supersólido, según los autores, y propone un modelo teórico experimental robusto para observar estos vórtices, que podrían ayudar a explorar y entender fenómenos cuánticos complejos.
¿Qué son los supersólidos? Sus propiedades y los vórtices cuánticos
Los supersólidos son una fase de la materia que combina propiedades tanto de los sólidos como de los superfluidos. A diferencia de un sólido convencional, que tiene una estructura rígida, o de un superfluido, que puede fluir sin fricción, los supersólidos presentan una estructura cristalina pero mantienen la capacidad de fluir internamente como un superfluido. Este fenómeno se debe a la “coherencia de fase” en el que las ondas de materia están "bloqueadas en fase", lo que es clave para la superfluidez. El estudio señala que los supersólidos se caracterizan por la coexistencia de propiedades superfluidas y sólidas, lo que permite observar efectos de fase inusuales y fenómenos cuánticos.
Un supersólido es capaz de mantener su estructura cristalina mientras permite el movimiento interno sin resistencia, gracias a la presencia de vórtices cuánticos. Estos vórtices, como remolinos discretos, marcan el flujo de superfluidez dentro del súpersólido. En este experimento, los investigadores han logrado por primera vez generar vórtices en un supersólido de dipolos de disprosio, abriendo así el camino para estudiar cómo estas formaciones influencian su comportamiento cuántico. "La presencia de vórtices cuantizados es una prueba inequívoca de irrotacionalidad", afirman los autores, lo que confirma la superfluidez del sistema.
Los supersólidos son una fase de la materia que combina propiedades tanto de los sólidos como de los superfluidos. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Técnica de magneto-agitación para inducir vórtices
El equipo usó una técnica innovadora llamada magneto-agitación para inducir vórtices en el gas de disprosio. Esta técnica se basa en la aplicación de un campo magnético rotatorio que ejerce un movimiento de agitación sobre el gas, lo que permite la formación de vórtices a frecuencias específicas. Este proceso requiere una manipulación precisa del campo magnético, ajustando su dirección y frecuencia para que la fuerza rotacional active la nucleación de vórtices sin destruir la estructura del supersólido. En este trabajo, “las gotas del supersólido se alinean a lo largo de la dirección del campo magnético y permiten la rotación”, explican los autores, señalando que este avance permite observar vórtices en estados cuánticos donde no era posible antes.
Una de las características más importantes de la técnica es su capacidad para generar vórtices sin desestabilizar el sistema. Al ser un estado de la materia extremadamente frágil, la formación de vórtices en un supersólido era un desafío experimental importante. Sin embargo, el uso de magneto-agitación ha demostrado ser una herramienta eficaz para observar vórtices en sistemas cuánticos de átomos altamente magnéticos, abriendo la posibilidad de extender esta técnica a otros sistemas donde se busca el control de fenómenos cuánticos.
El equipo usó una técnica innovadora llamada magneto-agitación para inducir vórtices en el gas de disprosio. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fez.
Comportamiento de los vórtices en el supersólido
Los vórtices generados en un supersólido muestra un comportamiento diferenciado, en comparación con los observados en otros sistemas cuánticos. En el experimento, los vórtices en el supersólido de disprosio se formaron a frecuencias de rotación más bajas que en los condensados de Bose-Einstein (BEC) no modulados. Esto se debe a la naturaleza "dual" del supersólido, que permite la coexistencia de un comportamiento cristalino y superfluido. Según los resultados obtenidos en el estudio, “la doble naturaleza del estado conduce a una reducción en la frecuencia de nucleación de vórtices y un aumento en el número de vórtices a frecuencias más altas”, lo que imita la rotación de un cuerpo rígido en cierto aspecto.
La capacidad del supersólido para sustentar la formación de vórtices sin perder su estructura ofrece una prueba experimental del superfluido, destacando la robustez de este estado de la materia. Por otra parte, la configuración de los vórtices y su interacción con la estructura cristalina podría permitir estudiar fenómenos únicos como la dinámica de fijación de vórtices o la oscilación de los vórtices en respuesta a cambios en el campo magnético. Estos hallazgos permitirán un avance en el conocimiento de cómo las propiedades cuánticas se manifiestan en los sistemas macroscópicos y abrirán nuevas puertas para estudiar fenómenos de irrotacionalidad en estados complejos.
Implicaciones del estudio en la física cuántica
Este descubrimiento tiene implicaciones profundas en varios campos de la física cuántica. La presencia de vórtices en un supersólido es un paso adelante para probar teóricamente los estados de materia que presentan más de una simetría rota, como los sistemas de superconductores o incluso la corteza interna de las estrellas de neutrones. De hecho, los autores sugieren que esta configuración experimental podría permitir una comparación con fenómenos observados en otros sistemas físicos, como los cristales cuánticos o las oscilaciones de cuasipartículas en el helio superfluido y potencialmente influir en el desarrollo de tecnologías de enfriamiento cuántico.
La experimentación y el control preciso de los estados cuánticos mediante técnicas avanzadas como la magneto-agitación podrían ser fundamentales para aplicaciones futuras en computación cuántica y sensores cuánticos. La capacidad para inducir y mantener vórtices en un supersólido podría ofrecer una forma de almacenar y manipular información cuántica en sistemas físicos estables, lo que convierte este estudio en una base prometedora para avances tecnológicos en el uso de materia cuántica en condiciones extremas.
El descubrimiento de los vórtices cuánticos podría tener consecuencias para el desarrollo de los ordenadores cuánticos. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.______________
Referencias
Casotti, E., Poli, E., Klaus, L., Litvinov, A., Ulm, C., Politi, C., Mark, M. J., Bland, T., & Ferlaino, F. (2024). Observation of vortices in a dipolar supersolid. Nature Physics. doi:10.1063/phys.rev.a
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