Un superfluido se detiene y desafía las leyes de la física

La física ha dado un paso significativo al observar un fenómeno que parecía casi imposible: un superfluido deteniéndose. En experimentos realizados con grafeno ultradelgado, investigadores de la Universidad de Columbia y la Universidad de Texas en Austin identificaron un nuevo estado cuántico que combina características de un sólido y un líquido, conocido como supersólido.

El comportamiento de los superfluidos, que normalmente fluyen sin fricción, ha sido objeto de estudio durante más de un siglo. En condiciones extremas, como a temperaturas cercanas al cero absoluto, el helio se comporta de manera inesperada, convirtiéndose en un superfluido. Sin embargo, la pregunta de qué sucede si un superfluido se enfría aún más había permanecido sin respuesta durante casi 50 años.

El equipo, liderado por Cory Dean y Jia Li, reveló que el superfluido, que típicamente se mantiene en movimiento constante, puede detenerse y pasar a un estado que se asemeja a un sólido. "Por primera vez, hemos visto a un superfluido experimentar una transición de fase para convertirse en lo que parece ser un supersólido", comentó Dean. Este cambio es comparable al proceso de congelación del agua, pero ocurre en el ámbito cuántico.

Un supersólido se define como un estado cuántico que mantiene un orden similar al de un sólido, mientras retiene propiedades típicas de los líquidos, como el flujo sin fricción. Este estado ha sido una de las propuestas más intrigantes en la física de la materia condensada, pero hasta ahora, ningún experimento había demostrado claramente la transformación natural de un superfluido en un supersólido.

Los investigadores optaron por trabajar con grafeno, un material que consiste en una sola capa de átomos de carbono. Este material permite la aparición de excitones, partículas cuasipartículas que se forman cuando se apilan dos capas de grafeno y se ajustan de tal manera que una capa contiene electrones extra y la otra, huecos. Estos excitones pueden comportarse colectivamente como un superfluido bajo un campo magnético fuerte.

Al ajustar parámetros como la temperatura y la densidad de excitones, el equipo observó un patrón inesperado. Cuando los excitones estaban densamente empaquetados, fluían libremente como un superfluido. Sin embargo, al disminuir la densidad, el flujo se detenía por completo y el sistema se convertía en un aislante. Aumentar la temperatura restauraba el comportamiento de superfluido, lo que contradice las nociones tradicionales sobre la superfluidez.

"La superfluidez se considera generalmente como el estado fundamental a bajas temperaturas", explicó Li. "Observar una fase aislante que se funde en un superfluido es sin precedentes. Esto sugiere fuertemente que la fase a baja temperatura es un sólido excitónico muy inusual".

La cuestión de si este estado se califica completamente como un supersólido sigue siendo debatida. Dean señaló: "Estamos explorando los límites de este estado aislante mientras desarrollamos nuevas herramientas para medirlo directamente". El equipo ahora investiga otros materiales en capas que podrían albergar fases cuánticas similares. A medida que se avanza en el estudio de estos fenómenos, se espera que el grafeno y otros materiales bidimensionales jueguen un papel central en la comprensión de cómo funcionan estos estados cuánticos extraños.

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