Los físicos del MIT han creado una nueva forma de materia, un supersólido, que combina las propiedades de los sólidos con las de los superfluidos.

Al usar láseres para manipular un gas superfluido conocido como condensado de Bose-Einstein, el equipo fue capaz de inducir al condensado a una fase cuántica de materia que tiene una estructura rígida, como un sólido, y puede fluir sin viscosidad, una característica clave de un superfluido. Los estudios sobre esta fase aparentemente contradictoria de la materia podrían arrojar conocimientos más profundos sobre los superfluidos y superconductores, que son importantes para las mejoras en tecnologías como los imanes y sensores superconductores, así como un transporte energético eficiente. Los investigadores informan sus resultados esta semana en la revista. Naturaleza .

"Es contradictorio tener un material que combine superfluidez y solidez, "dice el líder del equipo Wolfgang Ketterle, el profesor John D. MacArthur de Física en el MIT. "Si su café era superfluido y lo removía, continuaría dando vueltas para siempre ".

Los físicos habían predicho la posibilidad de supersólidos pero no los habían observado en el laboratorio. Teorizaron que el helio sólido podría volverse superfluido si los átomos de helio pudieran moverse en un cristal sólido de helio, convirtiéndose efectivamente en un supersólido. Sin embargo, la prueba experimental seguía siendo esquiva.

El equipo utilizó una combinación de métodos de enfriamiento por láser y enfriamiento por evaporación, originalmente co-desarrollado por Ketterle, para enfriar átomos de sodio a temperaturas nanokelvin. Los átomos de sodio se conocen como bosones, por su número par de nucleones y electrones. Cuando se enfría casi al cero absoluto, los bosones forman un estado superfluido de gas diluido, llamado condensado de Bose-Einstein, o BEC.

Ketterle co-descubrió los BEC, un descubrimiento por el que fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2001.

"El desafío ahora era agregar algo al BEC para asegurarse de que desarrollara una forma más allá de la forma de la 'trampa de átomos, 'que es la característica definitoria de un sólido, "explica Ketterle.

Dando la vuelta al giro encontrando las rayas

Para crear el estado supersólido, el equipo manipuló el movimiento de los átomos del BEC utilizando rayos láser, introduciendo "acoplamiento espín-órbita".

En su cámara de ultra alto vacío, el equipo utilizó un conjunto inicial de láseres para convertir la mitad de los átomos del condensado a un estado cuántico diferente, o girar, esencialmente creando una mezcla de dos condensados ​​de Bose-Einstein. Luego, rayos láser adicionales transfirieron átomos entre los dos condensados, llamado "spin flip".

"Estos láseres adicionales dieron a los átomos 'girados' un impulso adicional para realizar el acoplamiento de la órbita de giro, "Dice Ketterle.

Los físicos habían predicho que un condensado de Bose-Einstein acoplado en órbita de espín sería un supersólido debido a una "modulación de densidad" espontánea. Como un sólido cristalino, la densidad de un supersólido ya no es constante y en su lugar tiene un patrón ondulado o similar a una onda llamado "fase rayada".

"La parte más difícil fue observar esta modulación de densidad, "dice Junru Li, un estudiante de posgrado del MIT que trabajó en el descubrimiento. Esta observación se logró con otro láser, cuyo haz fue difractado por la modulación de densidad. "La receta del supersólido es realmente simple, "Li agrega, "pero fue un gran desafío alinear con precisión todos los rayos láser y lograr que todo fuera estable para observar la fase de franjas".

Trazar un mapa de lo que es posible en la naturaleza

En la actualidad, el supersólido solo existe a temperaturas extremadamente bajas en condiciones de vacío ultra alto. Avanzando, el equipo planea llevar a cabo más experimentos sobre supersólidos y acoplamiento espín-órbita, caracterizar y comprender las propiedades de la nueva forma de materia que crearon.

"Con nuestros átomos fríos, estamos trazando un mapa de lo que es posible en la naturaleza, "explica Ketterle." Ahora que hemos probado experimentalmente que las teorías que predicen los supersólidos son correctas, esperamos inspirar más investigaciones, posiblemente con resultados imprevistos ".

Varios grupos de investigación estaban trabajando en la realización del primer supersólido. En el mismo número de Naturaleza , un grupo en Suiza informó sobre una forma alternativa de convertir un condensado de Bose-Einstein en un supersólido con la ayuda de espejos, que recogió la luz láser dispersada por los átomos. "La realización simultánea de dos grupos muestra cuán grande es el interés en esta nueva forma de materia, "dice Ketterle.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.