En física de la materia condensada , un supersólido es un material ordenado espacialmente con propiedades superfluidas . En el caso del helio-4 , desde la década de 1960 se ha especulado sobre la posibilidad de crear un supersólido. [1] A partir de 2017, varios experimentos con condensados atómicos de Bose-Einstein aportaron una prueba definitiva de la existencia de este estado . [2] Las condiciones generales necesarias para que surja la supersolidez en una determinada sustancia son un tema de investigación en curso.
Un supersólido es un estado cuántico especial de la materia en el que las partículas forman una estructura rígida y ordenada espacialmente, pero también fluyen con viscosidad cero . Esto contradice la intuición de que el flujo, y en particular el flujo superfluido con viscosidad cero, es una propiedad exclusiva del estado fluido , por ejemplo, fluidos superconductores de electrones y neutrones, gases con condensados de Bose-Einstein o líquidos no convencionales como el helio-4 o el helio-3 a una temperatura suficientemente baja. Por lo tanto, durante más de 50 años no estuvo claro si el estado supersólido puede existir. [3]
Aunque varios experimentos arrojaron resultados negativos, en la década de 1980, John Goodkind descubrió la primera anomalía en un sólido mediante el uso de ultrasonidos . [4] Inspirados por su observación, en 2004 Eun-Seong Kim y Moses Chan de la Universidad Estatal de Pensilvania observaron fenómenos que se interpretaron como un comportamiento supersólido. [5] En concreto, observaron un momento de inercia rotacional no clásico [6] de un oscilador torsional. Esta observación no podía explicarse mediante modelos clásicos, pero era coherente con el comportamiento similar al superfluido de un pequeño porcentaje de los átomos de helio contenidos en el oscilador.
Esta observación desencadenó una gran cantidad de estudios de seguimiento para revelar el papel desempeñado por los defectos de los cristales o las impurezas de helio-3. Experimentos posteriores han puesto en duda la existencia de un verdadero supersólido en el helio. Lo más importante es que se demostró que los fenómenos observados podrían explicarse en gran medida debido a cambios en las propiedades elásticas del helio. [7] En 2012, Chan repitió sus experimentos originales con un nuevo aparato que fue diseñado para eliminar cualquier contribución de ese tipo. En este experimento, Chan y sus coautores no encontraron evidencia de supersolidez. [8]
En 2017, dos grupos de investigación de la ETH de Zúrich y del MIT informaron sobre la creación de un gas cuántico ultrafrío con propiedades supersólidas. El grupo de Zúrich colocó un condensado de Bose-Einstein dentro de dos resonadores ópticos, lo que mejoró las interacciones atómicas hasta que comenzaron a cristalizar espontáneamente y a formar un sólido que mantiene la superfluidez inherente de los condensados de Bose-Einstein. [9] [10] Esta configuración crea una forma especial de un supersólido, el llamado supersólido reticular, donde los átomos están fijados a los sitios de una estructura reticular impuesta externamente. El grupo del MIT expuso un condensado de Bose-Einstein en un potencial de doble pozo a rayos de luz que crearon un acoplamiento espín-órbita efectivo . La interferencia entre los átomos en los dos sitios reticulares acoplados espín-órbita dio lugar a una modulación de densidad característica. [11] [12]
En 2019, tres grupos de Stuttgart, Florencia e Innsbruck observaron propiedades supersólidas en condensados dipolares de Bose-Einstein [13] formados a partir de átomos de lantánidos . En estos sistemas, la supersolidez surge directamente de las interacciones atómicas, sin necesidad de una red óptica externa. Esto facilitó también la observación directa del flujo superfluido y, por lo tanto, la prueba definitiva de la existencia del estado supersólido de la materia. [14] [15]
En 2021, se utilizó disprosio para crear un gas cuántico supersólido bidimensional. [16] En 2022, el mismo equipo creó un disco supersólido en una trampa redonda. [17]
En 2021, se utilizó la electrodinámica cuántica de cavidad confocal con un condensado de Bose-Einstein para crear un supersólido que posee una propiedad clave de los sólidos, la vibración. Es decir, se creó un supersólido que posee fonones reticulares con una dispersión de modos de Goldstone que exhibe una velocidad del sonido de 16 cm/s. [18]
En la mayoría de las teorías de este estado, se supone que las vacantes (sitios vacíos normalmente ocupados por partículas en un cristal ideal) conducen a la supersolidez. Estas vacantes son causadas por la energía del punto cero , que también hace que se muevan de un sitio a otro como ondas . Debido a que las vacantes son bosones , si tales nubes de vacantes pueden existir a temperaturas muy bajas, entonces una condensación de Bose-Einstein de vacantes podría ocurrir a temperaturas inferiores a unas pocas décimas de Kelvin. Un flujo coherente de vacantes es equivalente a un "superflujo" (flujo sin fricción) de partículas en la dirección opuesta. A pesar de la presencia del gas de vacantes, la estructura ordenada de un cristal se mantiene, aunque con menos de una partícula en cada sitio de la red en promedio. Alternativamente, un supersólido también puede surgir de un superfluido. En esta situación, que se realiza en los experimentos con condensados atómicos de Bose-Einstein, la estructura ordenada espacialmente es una modulación sobre la distribución de densidad del superfluido. [ cita requerida ]
