Dr. José Manuel Nieto Jalil
El siglo XX fue testigo de dos de las transformaciones más radicales en la historia de la física, revoluciones que no sólo reformularon nuestros conceptos fundamentales sobre el Universo; también desencadenaron avances tecnológicos y científicos con impactos profundos en la sociedad.
La primera de estas revoluciones fue impulsada por Albert Einstein, cuyas teorías Especial y General de la Relatividad, propuestas en 1905 y 1915 respectivamente, rompieron con las concepciones clásicas del espacio, el tiempo y la gravedad.
Estas teorías no sólo reconfiguraron la manera en que entendemos el Universo, sino que también impulsaron el desarrollo de nuevas ramas de la física.
Paralelamente, nació y se consolidó la física cuántica, debido a destacados científicos como Max Planck, Niels Bohr y Werner Heisenberg, entre otros, propiciando una nueva forma de pensar sobre la materia y la energía en las escalas más pequeñas del Universo.
Este nuevo paradigma condujo al desarrollo de la electrodinámica cuántica, la teoría que describe cómo interactúan la luz y la materia y que ha sido esencial en la invención del transistor, un componente fundamental en la electrónica.
El impacto de estas revoluciones no se limitó al ámbito teórico. La física de partículas, o física de altas energías, emergió como un campo clave en la exploración de los componentes básicos de la materia.
La astrofísica, la física nuclear y la física del estado sólido o materia condensada, son sólo algunas de las disciplinas que prosperaron gracias a estas nuevas ideas.
La física de la materia condensada ocupa un lugar destacado en la ciencia moderna debido a su enfoque en el estudio de los sólidos, líquidos y una variedad de fases exóticas de la materia, donde se incluyen estados como los superfluidos y los condensados de Bose-Einstein, en los cuales la materia se organiza en conglomerados de vastos números de átomos.
Estos estados de la materia no sólo desafían nuestra comprensión clásica de los estados sólido, líquido y gaseoso, sino que también ofrecen una ventana a comportamientos cuánticos colectivos que no se observan en las condiciones ordinarias.
Particularmente intrigante es la idea del supersólido, un estado de la materia que combina características tanto de los sólidos como de los líquidos.
A primera vista, un material con un orden cristalino rígido, típico de un sólido, que simultáneamente permite que algunas de sus partículas fluyan libremente, como en un líquido, parece contradecir el sentido común.
Sin embargo, durante la década de 1960, varios físicos teorizaron sobre la posible existencia de tal estado dual.
Propusieron que ciertos materiales podrían alcanzar un estado en el cual posean un orden cristalino, mientras que algunas de sus partículas se deslocalizan y fluyen a través del sistema, como lo harían en un líquido.
Este concepto, inicialmente hipotético, comenzó a materializarse en las últimas décadas. Entre 2017 y 2019, se realizaron una serie de experimentos proporcionaron pruebas sólidas de la existencia de los supersólidos.
Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich lograron una hazaña notable al utilizar gas de rubidio. En sus experimentos, enfriaron este gas a temperaturas extremadamente cercanas al cero absoluto dentro de una cámara de vacío, lo que permitió la formación de un condensado de Bose-Einstein.
En este estado cuántico, lograron observar características propias de un supersólido, donde la estructura cristalina coexistía con la fluidez cuántica de las partículas deslocalizadas.
Estos descubrimientos no sólo confirman la existencia de los supersólidos, sino que también abren nuevas vías para explorar fenómenos cuánticos en la materia condensada.
La investigación en este campo podría tener implicaciones significativas en la comprensión de la superconductividad, la superfluidez y otros fenómenos cuánticos, así como en el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en materiales con propiedades cuánticas únicas.
Paralelamente, un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) informó sobre la creación de un gas cuántico ultrafrío con propiedades supersólidas.
Utilizando átomos de sodio, también lograron formar un condensado de Bose-Einstein, al cual manipularon con láseres. Aunque el proceso seguido fue diferente al empleado en Zúrich, el resultado fue el mismo: un estado supersólido.
Además, tres grupos de investigación en Stuttgart, Florencia y Innsbruck observaron propiedades supersólidas en condensados dipolares de Bose-Einstein.
Estos resultados facilitaron la observación directa del flujo superfluido, proporcionando así la prueba definitiva de la existencia del estado supersólido.
Sin embargo, las condiciones generales necesarias para que surja el estado supersólido en una determinada sustancia son un tema de investigación en curso.
Un estudio publicado en la prestigiosa revista Nature ha profundizado aún más en esta cuestión. En este trabajo, los físicos lograron observar estados supersólidos en una nueva dimensión, particularmente en un gas cuántico, marcando un nuevo hito en la física fundamental.
Los estados supersólidos obtenidos a partir de gases cuánticos ultracongelados de átomos de lantánido altamente magnéticos desarrollan espontáneamente tanto un orden cristalino sólido como un flujo de partículas típico de un líquido cuántico superfluido.
Es decir, estos estados presentan la estructura de un cristal, pero las partículas en su interior fluyen como un líquido debido a su deslocalización.
El principal desafío de esta teoría radica en la transición entre líquido y sólido. Cuando un líquido se solidifica, su densidad se modula fuertemente a medida que emerge la matriz ordenada de partículas que constituye su cristal.
Los sólidos, desde el plástico hasta el hierro, tienen sus átomos dispuestos en un orden regular, formando estructuras visibles y rígidas.
En contraste, las partículas en un líquido se mueven constantemente y tienden a expandirse. Para llegar al estado supersólido, es necesario combinar en un mismo material ambas características: la rigidez estructural de un sólido y la fluidez de un líquido.
Los resultados obtenidos por estos investigadores son trascendentales porque, hasta ahora, los estados supersólidos en gases cuánticos sólo se habían observado como cadenas de gotas a lo largo de una única dimensión.
Sin embargo, estos equipos han conseguido expandir el fenómeno a dos dimensiones, lo que amplía la investigación.
Actualmente los supersólidos no tienen un gran campo de aplicación debido a que sólo pueden existir a temperaturas extremadamente bajas y recluidos en una cámara de vacío.
Comprender su configuración y profundizar en la mecánica y estructura de este nuevo estado de la materia podría aportar importantes avances, especialmente en el ámbito de los superconductores.
El estudio de los supersólidos no sólo desafía nuestros conceptos tradicionales de la materia, sino que también abre un nuevo capítulo en la física cuántica.
Aunque su aplicación práctica puede parecer distante debido a las extremas condiciones necesarias para su existencia, la investigación podría sentar las bases para futuras innovaciones en materiales cuánticos y superconductores.
A medida que los científicos continúan desentrañando los misterios de los supersólidos, es probable que descubrimientos aún más sorprendentes emerjan, impulsando nuestro entendimiento fundamental del Universo y potenciales avances tecnológicos que apenas hoy imaginamos.
