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H2020

DipInQuantum — Resultado resumido

Project ID: 703419
Financiado con arreglo a: H2020-EU.1.3.2.
País: Alemania
Dominio: Investigación fundamental

Ver cómo un gas se convierte en un supersólido

Cuando la materia se enfría hasta temperaturas próximas al cero absoluto, se producen fenómenos intrigantes. En una primicia mundial, investigadores financiados con fondos europeos han logrado generar un líquido «cuántico» a partir de átomos extremadamente fríos, es decir, con una densidad cien millones de veces inferior que los líquidos normales.
Ver cómo un gas se convierte en un supersólido
Al enfriar un gas superfluido conocido como condensado de Bose-Einstein, los investigadores del proyecto DipInQuantum, financiado con fondos europeos, lograron hacer que el condensado entrase en una fase cuántica de la materia que tiene una estructura de tipo cristalino y puede fluir como un líquido, pero sin fricción interna.

Gotas autoadheridas

Mientras que los átomos ultrafríos suelen estar presentes en una fase gaseosa, pruebas recientes han demostrado, sorprendentemente, que en circunstancias especiales los átomos condensados pueden formar gotas de líquido autoadheridas. «Las interacciones entre los dipolos magnéticos de átomos de lantánido en un gas ultrafrío pueden producir una gota de líquido "autoadherida". Así se obtiene un sistema aislado útil para comprobar las propiedades cuántico-mecánicas de gases ultrafríos», señala el doctor Tilman Pfau, encargado del proyecto DipInQuantum.

En el origen de esta nueva fase se encuentra la coexistencia entre fuerzas de repulsión y atracción que se equilibran perfectamente para generar este sistema de autoadhesión. La autoorganización es una característica clave de los sistemas de muchos cuerpos, en los que el orden surge espontáneamente por las interacciones entre partículas. «En nuestro caso, la estabilidad de estas gotas autoadheridas depende de un delicado equilibrio de tres interacciones. Las fuerzas de contacto y las fluctuaciones cuánticas determinan el componente de repulsión de las interacciones, mientras que las fuerzas dipolares representan el componente de atracción», añade el doctor Pfau.

Los hallazgos recientes sugieren que pueden existir conjuntos autoadheridos de átomos ultrafríos para densidades de números de átomos cien millones de veces inferiores que en una gota de helio, que está formada por un líquido cuántico denso. No obstante, la prueba experimental de tales conjuntos ha sido difícil de obtener hasta el momento porque se requieren fuerzas distintas de la habitual interacción de contacto de rango cero, que puede ser de atracción o repulsión, pero nunca de ambos tipos. Estas gotas son el equivalente diluido de sistemas autoadheridos estrechamente correlacionados, como núcleos atómicos y gotas de helio.

Gas, líquido y cristal cuánticos, todo en uno

El equipo del proyecto enfrió un gas de átomos de disprosio hasta una temperatura muy próxima al cero absoluto. Estos átomos pueden entenderse como minúsculos imanes, dado que el disprosio es el elemento más magnético. Para sus estudios, los investigadores crearon un gas superfluídico con 3 000 átomos de disprosio y provocaron su levitación con un campo magnético fuerte. En consecuencia, observaron patrones regulares consistentes en gotas microscópicas. Durante la levitación magnética, las gotas inicialmente perdieron átomos y, en cuanto llegaron a un número de átomos crítico, se evaporaron, convirtiéndose en gas.

«Hemos descubierto un nuevo estado de la materia que presenta características aparentemente contradictoras, tanto de gas como de cristal y de superfluido», comenta el doctor Pfau. Los investigadores creen que las fluctuaciones cuánticas desempeñan un papel importante en la existencia de las gotas. Teniendo en cuenta el principio de incertidumbre de Heisenberg, los átomos que forman la gota no pueden permanecer completamente en reposo en su interior y, en su lugar, están en movimiento perpetuo. Estos átomos confinados en un volumen pequeño generan presión cuántica. Esto provoca que la gota sea inestable y los átomos se evaporen en un gas en expansión. «Combinar el gas, líquido y cristal cuánticos en un único estado de la materia podría ser el camino hacia verdaderos supersólidos, un material ordenado espacialmente con propiedades superfluídicas», añade el doctor Pfau.

Los átomos de disprosio con un momento dipolar más fuerte pueden permitir realizar experimentos rupturistas en el ámbito cuántico. Como imanes excepcionales, contribuyen considerablemente al estudio de las gotas de líquido cuántico.

Hasta el momento, los supersólidos, que son un superfluido y un sólido al mismo tiempo, han sido únicamente un estado de materia predicho teóricamente. Empleando un método legítimo que aprovecha un condensado de Bose-Einstein, DipInQuantum ha logrado abrir el camino a una posterior investigación sobre este extraño estado de la materia.

Palabras clave

DipInQuantum, gota, gas, autoadherida, superfluido, supersólido, gas cuántico, líquido cuántico, átomo ultrafrío, condensado de Bose-Einstein
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