Una figura inspirada en un dios antiguo romano / latino llamado "Giano Bifronte" o Jianus. Este Dios condensa en sí mismo dos naturalezas bastante antitéticas, que coexisten en una entidad. No es posible eliminar o extraer una de las dos naturalezas sin destruir completamente al Dios. En el contexto del estudio, las dos naturalezas son la superfluida y la cristalina. Crédito:Harald Ritsch y el equipo de Erbium.
Supersólidos, materiales sólidos con propiedades superfluidas (es decir, en el que una sustancia puede fluir con viscosidad cero), se han convertido recientemente en el foco de numerosos estudios de física. Los supersólidos son fases paradójicas de la materia en las que coexisten dos órdenes distintos y algo antitéticos, resultando en un material cristalino y superfluido.
Previsto por primera vez a fines de la década de 1960, La supersolidez se ha convertido gradualmente en el foco de un número creciente de estudios de investigación, provocando un debate en diferentes campos científicos. Muchos años atrás, por ejemplo, un equipo de investigadores publicó resultados controvertidos que identificaron esta fase en helio sólido, que luego fueron rechazados por los propios autores.
Un problema clave de este estudio fue que no tuvo en cuenta la complejidad del helio y las observaciones poco fiables que a veces puede producir. Además, en átomos, las interacciones suelen ser muy fuertes y constantes, lo que dificulta que ocurra esta fase.
Los gases cuánticos dipolares se encuentran en el extremo opuesto de estructuras como el helio sólido, ya que están formados por átomos magnéticos ultrafríos en la fase gaseosa enfriados a temperaturas nanokelvin. En estos gases, por lo tanto, las interacciones entre átomos son débiles, sin embargo, también son de largo alcance y sintonizables con campos magnéticos controlados externamente.
Debido a su alto grado de sintonía, Hace unos pocos años, Los gases cuánticos comenzaron a aparecer con mayor frecuencia en las propuestas teóricas de supersolidez. Los primeros experimentos que utilizaron gases acoplados a campos de luz mostraron estados con propiedades supersólidas, pero en estos estados, el sólido seguía siendo incompresible.
Finalmente, hace pocos meses, tres grupos de investigación que investigan gases ultrafríos de átomos altamente magnéticos (un grupo alemán dirigido por Tilman Pfau, un grupo italiano dirigido por Giovanni Modugno y un grupo de investigadores con sede en la Universidad de Innsbruck y el Institut für Quantenoptik und Quanteninformation dirigido por Francesca Ferlaino), simultáneamente publicaron observaciones de estados con propiedades supersólidas.
"Pudimos demostrar que, en determinadas condiciones de interacción, el gas magnético experimentó una transición de fase a un estado supersólido, mostrando tanto la modulación de densidad espontánea (es decir, cristal) y coherencia de fase global (es decir, superfluido), ", dijeron los investigadores de Innsbruck a Phys.org por correo electrónico". Sorprendentemente, las propiedades supersólidas surgen genuinamente de las interacciones entre partículas desnudas, que tienen una fuerte contribución dipolo-dipolo ".
Sobre la base de estos resultados anteriores, el equipo de investigación dirigido por Francesca Farlaino llevó a cabo un nuevo estudio investigando el espectro de excitación de un supersólido dipolar atrapado, recopilación de nuevas e interesantes observaciones. Este estudio es un importante paso adelante para revelar cómo el estado supersólido de la materia responde a las excitaciones.
"Para sondear la supersolidez, Es importante demostrar que la naturaleza superfluida y cristalina de un sistema responde de manera diferente a las perturbaciones, "explicaron los investigadores." De manera más general, en física cuántica, cualquier sistema tiene modos de excitación intrínsecos que caracterizan cómo responde a una perturbación. Por ejemplo, una cuerda de guitarra pellizcada responde solo con una frecuencia determinada, haciendo un sonido claro, que un oído entrenado podría reconocer como una nota específica, estimando las características de la cuerda. Lo mismo vale para un sistema cuántico; su espectro de excitación revela información íntima sobre su carácter intrínseco. El sondear las excitaciones del supersólido puede permitir una visión nueva y más profunda de esta fase intrigante ".
Las respuestas observadas por los investigadores coinciden con las predicciones teóricas asociadas con los supersólidos, lo que sugiere que observaron con éxito un estado supersólido. Su papel publicado en Cartas de revisión física , se centra específicamente en el espectro de excitaciones elementales de un gas Bose dipolar colocado en una trampa anisotrópica tridimensional mientras experimenta la transición entre superfluido y supersólido.
"Hemos dado un importante paso adelante al estudiar la respuesta a las excitaciones de los sistemas, ", dijeron los investigadores a Phys.org." La forma en que responde un sistema dice mucho sobre el sistema en sí. Basta pensar en una excitación externa en la que se tira una piedra a un sistema, y qué diferente es la respuesta si se arroja esta piedra al mar o al muro. Este es simplemente un ejemplo; en lugar de tirar una piedra, estudiamos la compresibilidad del sistema ".
En su estudio, Ferlaino y sus colegas esencialmente probaron los modos de excitación del estado supersólido producido a partir de un gas cuántico de átomos de erbio en una trampa en forma de cigarro hecha de luz al cambiar el valor de un campo magnético externo. En esta configuración experimental, la modulación de densidad apareció espontáneamente a lo largo de la trampa, mientras que el sistema permaneció superfluido.
Luego, los investigadores excitaron globalmente el sistema perturbando la trampa en la misma dirección en la que había aparecido la modulación de densidad. Esto resultó en la excitación de distintos modos, que probaron observando el cambio en los patrones de la interferencia de la onda de materia del gas consigo mismo (obtenida al hacer que el gas se expanda) a lo largo del tiempo.
"En nuestro trabajo, identificamos los diferentes modos de excitación elemental aplicando un análisis estadístico sin modelo llamado Análisis de Componentes Principales sobre la evolución temporal de los patrones que observamos, ", dijeron los investigadores." Nuestra observación más significativa fue que la existencia simultánea de los dos órdenes -cristal y superfluido- en un supersólido se traduce en propiedades notables de su espectro de excitación elemental, que investigamos más a fondo en nuestro trabajo ".
Estudios anteriores sugieren que en el límite termodinámico (es decir, en sistemas infinitos), la existencia de propiedades tanto cristalinas como superfluidas produce dos ramas en el espectro de excitación, cada uno de ellos está asociado con uno de los pedidos. Esto da como resultado modos que son vibraciones de la estructura cristalina o flujo del superfluido, respectivamente. En su estudio, Ferlaino y sus colegas mostraron, tanto teórica como experimentalmente, que esta característica clave del espectro supersólido ocurre en sistemas de laboratorio donde solo están presentes unos pocos sitios cristalinos.
"Experimentalmente, Observamos que la respuesta del sistema a nuestro esquema de excitación global cambia de uno a varios modos excitados cuando el sistema pasa de un superfluido regular a un supersólido, reflejando la multiplicidad de la rama de excitación en el sistema, ", explicaron los investigadores." Lo que es más importante, una clase de modos excitados tiene un costo de energía decreciente cuando se profundiza en el régimen supersólido, es decir., cuando se reduce el carácter superfluido de la fase. Tal comportamiento caracteriza los modos que inducen un flujo superfluido dentro de la matriz de gotas ".
Los investigadores encontraron que mientras que en el régimen de condensado de Bose-Einstein, el sistema que examinaron exhibía una oscilación cuadrupolo ordinaria, en el régimen supersólido produjo una intrigante respuesta de dos frecuencias. Esta respuesta está asociada con las dos simetrías rotas espontáneamente del sistema.
El estudio realizado por Ferlaino y sus colegas proporciona evidencia de la posibilidad de flujo superfluido en el estado supersólido, mientras que su sólida elasticidad es sensible. Para conocer sus observaciones, sin embargo, los investigadores también tendrían que demostrar la irrotacionalidad del flujo superfluido, por ejemplo, observando vórtices. Ésta es una de las muchas cosas que esperan lograr en su trabajo futuro.
"La historia del gas dipolar supersólido es todavía un libro incompleto y quedan muchos capítulos por escribir, ", dijeron los investigadores." Por ejemplo, ¿Cómo evoluciona la fracción superfluida a lo largo del diagrama de fase? ¿Cuál es la naturaleza del flujo superfluido en tal sistema y cómo reacciona el sistema a la rotación oa una perturbación local? ¿Cuáles son las otras características que se pueden captar del espectro de excitación del supersólido? en cuanto a su elasticidad sólida y su fracción superfluida? Estas son solo algunas de las emocionantes direcciones que podríamos explorar en el futuro ".
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