¿Qué pasaría si pudieras alterar el orden cristalino de la materia cuántica para que un superfluido pudiera fluir libremente incluso a temperaturas y presiones donde normalmente no lo hace? Esta idea ha sido demostrada por un equipo de científicos dirigido por Ludwig Mathey y Andreas Hemmerich de la Universidad de Hamburgo.

La congelación del agua implica un cambio de una fase de la materia a otra, llamada transición de fase. Mientras esta transición, como innumerables otras que ocurren en la naturaleza, normalmente tiene lugar en las mismas condiciones fijas; en este caso, el punto de congelación:puede verse influido de forma controlada. La transición de congelación se puede controlar para producir un sorbete o un granizado. Para hacer un granizado frío y refrescante con la consistencia perfecta, una máquina de granizado con cuchillas que giran constantemente evita que las moléculas de agua se cristalicen y conviertan el granizado en un sólido bloque de hielo.

Imagínese controlando la materia cuántica de la misma manera. En lugar de formar un líquido normal, como un fango derretido bajo el sol, la materia cuántica puede formar un superfluido. Esta forma de materia contraria a la intuición se observó por primera vez en helio líquido a temperaturas muy bajas, menos de dos Kelvin por encima del cero absoluto. Los átomos de helio tienen una fuerte tendencia a formar un cristal, como las moléculas de agua en un fango, y esto restringe el estado superfluido del helio a temperaturas y presiones muy bajas.

Pero, ¿y si pudieras encender las cuchillas de tu máquina de aguanieve para la materia cuántica? ¿Qué pasaría si pudieras alterar el orden cristalino para que el superfluido pudiera fluir libremente, incluso a temperaturas y presiones donde normalmente no es así? Esta fue la idea ahora demostrada por un equipo de científicos dirigido por Ludwig Mathey y Andreas Hemmerich de la Universidad de Hamburgo. Han alterado el orden cristalino en un sistema cuántico de manera controlada al iluminarlo con una luz que oscila en el tiempo a una frecuencia específica. Los físicos usan el término "conducción" para describir este tipo de cambio periódico aplicado al sistema, una acción realizada por las cuchillas batientes en una máquina fangosa. Su trabajo, publicado en Cartas de revisión física , identificó un mecanismo fundamental de cómo un sistema típico con fases en competencia responde a una conducción periódica externa.

Los investigadores estudiaron un gas de átomos fríos colocado entre dos espejos altamente reflectantes. Los espejos forman una cavidad que sirve como resonador para los fotones, ya que los átomos los dispersan varias veces antes de ser detectados en experimentos. Para proporcionar una fuente de fotones, un rayo láser de bomba externo se dirige a la nube de átomos.

Similar al agua que cambia su fase de líquido a hielo, este sistema de materia luminosa presenta una transición de fase cuántica. Los átomos de un gas inicialmente homogéneo se organizan espontáneamente en un patrón de tablero de ajedrez cuando la intensidad del rayo de la bomba se vuelve lo suficientemente fuerte. La autoorganización se produce a expensas del superfluido, que es suprimido por el orden cristalino. Este es uno de los muchos ejemplos de competición en los que una fase gana a la otra. Los investigadores muestran que con un poco de "impulso, "puede inclinar la balanza a favor de los desamparados, en este ejemplo, la fase superfluida. "Observamos a partir de nuestras simulaciones por computadora que una modulación periódica de la intensidad de la bomba puede desestabilizar la fase autoorganizada dominante, "explica el autor principal Jayson Cosme." Esto permite que la fase homogénea previamente inestable resurja y esto restaura el superfluido. Es superfluidez inducida por la luz ".

Luego, los científicos observaron su predicción en un experimento realizado en el grupo de Andreas Hemmerich. "Intuitivamente, uno podría esperar que si agitamos el sistema, todo lo que hace es calentarse. Fue intrigante ver una clara firma del fluido cuántico resurgiendo, "explica Andreas Hemmerich.

La mejora o supresión de una fase debido a una fuerza impulsora externa también se ha sugerido en otros sistemas físicos. Por ejemplo, en superconductores de alta temperatura, los pulsos de láser pueden fundir el orden de rayas dominante en equilibrio, allanando el camino para que surja la superconductividad, un fenómeno llamado superconductividad inducida por la luz. El mecanismo fundamental que puede ayudar a explicar este proceso sigue siendo objeto de debate. "Propusimos este tipo de control de la superfluidez de la luz para demostrar el principio que se ha hipotetizado para la superconductividad inducida por la luz, "explica Ludwig Mathey. Con este hallazgo, La física del átomo frío demuestra un general, mecanismo contrario a la intuición de controlar las transiciones de fase en sistemas de muchos cuerpos. Abre un nuevo capítulo de la física del estado sólido en el que los científicos no solo miden las propiedades de equilibrio de la materia, sino diseñar un estado de no equilibrio con las propiedades deseadas mediante el control de la luz.