La temperatura puede "congelar" fluidos en el mundo cuántico

Al inicio de la primavera, la nieve y el hielo se funden a medida que aumenta la temperatura. Esto es consistente con nuestra intuición, con la que entendemos que el calentamiento de un sólido lo transforma en un líquido y, eventualmente, lo vaporiza si la temperatura sigue aumentando. Un descubrimiento reciente publicado en la prestigiosa revista Nature Communications da un giro completo a esta noción y establece que el calentamiento de un fluido también puede causar su transformación en un estado sólido de la materia. No obstante, el sistema considerado no es el típico sólido que estamos acostumbrados a concebir y, a diferencia, por ejemplo, de cubos de hielo en agua, únicamente se forma bajo condiciones extremas, donde los efectos de la mecánica cuántica empiezan a tomar un rol determinante.

De hecho, las leyes de la mecánica cuántica permiten la emergencia de estados de la materia inusuales, que desafian la simple categorización en líquidos, sólidos o gases. Uno de estos estados exóticos es el conocido como supersólido. En un supersólido, las partículas se agrupan para "congelarse" en un estado ordenado y, a la vez, son capaces de moverse por la estructura formada sin fricción. Esta aparente contradicción ha fascinado a los investigadores durante varias décadas, desde la primera conjetura sobre la supersolidez, hace ya más de 50 años.

No obstante, tan sólo recientemente han podido los científicos encontrar maneras de explorar estas cuestiones en experimentos. Esto ha sido posible por medio de la versión cuántica de los conocidos como ferrofluidos. Éstos consisten en partículas magnéticas microscópicas en suspensión en un fluido. Inventados por la NASA en los años 60, estos coloides magnéticos muestran numerosas propiedades sorprendentes que han tenido aplicación en la electrónica, la ingeniería mecánica y en otras industrias. En un ferrofluido cuántico, las partículas magnéticas se corresponden a átomos individuales con un gran momento dipolar magnético. En el laboratorio, estos fluidos dipolares cuánticos se agrupan en forma de gotas microscópicas que tan sólo contienen alrededor de 10.000 átomos, y que son enfriadas por medio de técnicas de luz láser hasta temperaturas increíblemente bajas, próximas al cero absoluto. Condiciones extremas como éstas fuerzan a todos los átomos a ocupar un único estado cuántico para formar el conocido como condensado de Bose-Einsten. Este estado puede ser entendido como un fluido que puede propagarse sin resistencia - un superfluido con viscosidad cero. En un superfluido dipolar, la interacción magnética entre los átomos puede generar la formación de estructuras regulares dentro del condensado, dando lugar a un supersólido, un exótico estado de la materia que fue observado hace unos años en una serie de experimentos innovadores.

A partir de estos descubrimientos, una colaboración entre investigadores de la Universidad de Aarhus, la Universidad Politécnica de Cataluña, la Universidad de les Illes Balears y la Universidad de Innsbruck se propuso entender el rol que la temperatura juega en la fenomenología de los supersólidos dipolares. Mientras que la mayoría de medidas experimentales anteriores habían sido llevadas a cabo a las temperaturas más bajas posibles, el experimento en la Universidad de Innsbruck ha sido diseñado para estudiar el comportamiento de fusión del supersólido bajo una variación de temperatura controlada. Sorprendentemente, las medidas revelaron que incrementar la temperatura podía generar la formación del supersólido en lugar del comportamiento de fusión anticipado. La teoría desarrollada por el investigador postdoctoral UPC Juan Sánchez Baena, en colaboración con los Profesores Thomas Pohl y Fabian Maucher, ofreció una explicación intuitiva para este comportamiento aparentemente paradójico. El aumento de la temperatura usualmente incrementa las fluctuaciones en un sistema y acelera el movimiento térmico de las partículas. Si este movimiento se acelera demasiado, un sólido se funde, y un fluido se vaporiza. Incrementar la temperatura en un condensado de Bose-Einstein también incrementa sus fluctuaciones y expulsa átomos del condensado, que aún forman parte del fluido cuántico. Crucialmente, la interacción magnética de esta pequeña fracción de átomos expulsados puede tener efectos dramáticos en el condensado e induicir la formación de la fase supersólida.

De esta manera, los descubrimientos de los autores pueden dar lugar a la iniciación de investigaciones más detalladas sobre la termodinámica de los superfluidos dipolares, que constituye un territorio mayormente inexplorado hasta ahora.