Creació i destrucció d’un supersòlid dipolar quàntic per escalfament

Un superfluid és un estat lı́quid o gasós en què les partı́cules poden fluir sense fricció. Per visualitzar-lo, podem imaginar-nos que fem rotar una cubeta plena d’heli a una temperatura inferior a 4 Kelvin. Si la velocitat de rotació és prou baixa, l’heli romandrà en repòs, tot i que la superfı́cie de la cubeta amb la que està en contacte s’estigui movent. Un supersòlid és un exòtic estat de la materia que va un pas més enllà: barreja aquesta estranya propietat de superfluidesa amb periodicitat espaial, reminiscent d’un sòlid cristal·lı́ clàssic. En aquests supersòlids, els atoms s’acumulen majoritàriament a unes posicions de l’espai determinades, tota vegada que un halo d’atoms restants envolta aquestes concentracions majoritàries. 

L’experiència del nostre dia a dia ens mostra que l’augment de temperatura tendeix a destruir l’ordenació espaial: si escalfem un bloc de gel, on els atoms es troben ordenats, aquest es fon, i aquesta ordenació es perd en transitar a la fase lı́quida. Si continuem escalfant, aquest lı́quid esdevé un gas, on les partı́cules passen a ocupar tot el volum disponible. La mecànica quàntica, però, és capaç de donar la volta a aquesta fenomenologia tan coneguda: escalfar un sistema dipolar que es troba inicialment en un estat superfluid desordenat indueix una transició a un estat supersòlid amb ordenació espaial que, a més, preserva la propietat de superfluidesa. Si el sistema continua escalfant-se, el supersòlid es fon i la superfluidesa es perd, que és la fenomenologia esperada. Tot això passa a temperatures extremadament baixes, de l’ordre de nano-Kelvin. El treball dels investigadors UPC és la primera instància on s’ha explorat la connexió i la transició entre aquests comportaments antagònics. Quelcom ha estat possible gràcies als potents mètodes computacionals de Monte Carlo per estudiar sistemes quàntics, l’especialitat del grup de recerca UPC Barcelona Quantum Monte Carlo. En concret, s’ha fet servir el mètode Path Integral Monte Carlo, capaç de resoldre, de manera exacta, el problema quàntic de N cossos a temperatura finita.

L’estudi suposa un pas més en la comprensió del territori, relativament inexplorat, dels sistemes dipolars a temperatura finita. Les conclusions, a més, deixen la porta oberta a més incògnites a investigar, com la caracterització del sistema dipolar en el lı́mit termodinàmic, o la relació entre l’emergència del supersòlid per escalfament i la formació de gotes lı́quides dipolars ultradiluı̈des.