Dr. José Manuel Nieto Jalil / Director del Departamento Regional de Ciencias en la Región Centro-Sur / Tecnológico de Monterrey Campus Puebla
La física es la base fundamental sobre la que descansa
toda la ingeniería moderna. Cada avance en la tecnología
y en las soluciones ingenieriles que moldean nuestra vida cotidiana tiene sus raíces en los principios físicos.
Desde la mecánica clásica hasta la física cuántica, las leyes que gobiernan el comportamiento de la materia y la energía son cimientos sobre los que se construyen herramientas y sistemas que definen nuestra era tecnológica.
Sin el desarrollo de la física, la ingeniería actual simplemente no existiría en su forma avanzada, limitando las capacidades de innovación.
La física ha sido frecuentemente considerada como el núcleo de las ciencias, pues aporta los principios que sustentan nuestra comprensión del universo.
En el siglo pasado, esta disciplina experimentó dos revoluciones trascendentales, con provocaron profundos cambios en el panorama socioeconómico.
La primera: la teoría de la relatividad, con las formulaciones especial y general de Albert Einstein en 1905 y 1915, respectivamente, que redefinieron los conceptos de espacio, tiempo y gravedad.
La segunda fue el desarrollo de la física cuántica, impulsada por trabajo colaborativo de numerosos científicos; introdujo un marco nuevo para describir los fenómenos a escalas subatómicas.
Hoy, de las nuevas teorías físicas emergen diversas disciplinas científicas, como la lógica relativista, la electrodinámica cuántica, la invención del transistor, el desarrollo de la física de partículas elementales (o de altas energías).
También ocurre con la astrofísica, la física nuclear y la del estado sólido o de la materia condensada.
En particular, la física de la materia condensada tiene gran relevancia. Estudia los estados de agregación de la materia: sólidos, líquidos, geles y otros conglomerados que involucran un número extremadamente alto de átomos.
Investiga propiedades físicas macroscópicas de la materia: densidad, temperatura, dureza o color, y establece relaciones con el comportamiento microscópico o atómico de sus componentes.
El interés ha crecido con el descubrimiento de fases exóticas, como los superfluidos y el condensado de Bose-Einstein.
Estas fases exhiben comportamientos asombrosos y únicos que rompen con las intuiciones clásicas de los estados de la materia. El condensado de Bose-Einstein tiene la capacidad de mostrar propiedades cuánticas a nivel macroscópico.
Destaca el estudio de los supersólidos, fase de la materia propuesta en la década de 1960. Varios físicos postularon su existencia dual: un material que combinaría las propiedades de un cristal sólido con la capacidad de flujo de un líquido.
En teoría, esta fase tendría una estructura atómica ordenada, como los sólidos, pero sus partículas estarían deslocalizadas y fluirían sin resistencia, como los superfluídos. Por años, la hipótesis permaneció sin verificación experimental sólida.
Entre 2017 y 2019, varios experimentos dieron evidencia contundente de la existencia de los supersólidos.
Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zürich) utilizaron gas de rubidio, enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto en una cámara de vacío. Se formó un condensado de Bose-Einstein: las partículas adoptaron una estructura cristalina, típica de un sólido, pero al mismo tiempo fluyeron sin resistencia, lo que desafía la naturaleza de los sólidos convencionales.
En paralelo, en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) se obtuvieron resultados similares con átomos de sodio para formar un condensado de Bose-Einstein, que manipularon con láseres. Diferente método, mismo final.
Se sumaron pruebas de Stuttgart, Florencia e Innsbruck; se hallaron propiedades superconductoras en condensados dipolares de Bose-Einstein.
Así, pudo hacerse observación directa del superfluido dentro de los supersólidos,prueba concluyente de la existencia de esta fase exótica de la materia.
Aún no se determinan las condiciones exactas para que diferentes materiales alcancen este estado.
Un avance significativo reportó la revista Nature. Francesca Ferlaino, investigadora principal de la Universidad de Innsbruck, obtuvo estados supersólidos a partir de gases cuánticos ultrafríos de átomos de lantánidos altamente magnéticos.
Su equipo mostró que se desarrolla tanto una estructura cristalina rígida (de sólidos), como un flujo superfluido de partículas, (de líquidos cuánticos).
Este descubrimiento amplía la investigación y señala una nueva era.
Los sólidos, como el hierro o el plástico, tienen sus átomos dispuestos en patrones regulares que integran una estructura visible y rígida.
En líquidos, las partículas se mueven constantemente, expandiéndose para ocupar cualquier volumen disponible.
Hasta hace poco, los supersólidos se habían observado en una única dimensión, como cadenas de gotas alineadas; los avances recientes han permitido expandir el fenómeno a dos dimensiones, lo cual se logró con el uso de átomos magnéticos altamente polarizados.
Con ello, los físicos exploran este estado cuántico desde diferentes ángulos, profundizando en las interacciones atómicas que lo hacen posible.
Aunque los supersólidos aún no tienen aplicaciones tecnológicas inmediatas –por las extremas condiciones de temperatura y vacío necesarias para su existencia, se prevé el desarrollo de superconductores y otros materiales cuánticos.
El entendimiento de su estructura y comportamiento abrirá nuevas fronteras en el diseño de tecnologías basadas en propiedades cuánticas.
Los supersólidos revelan la complejidad y la belleza de los estados cuánticos de la materia.
A medida que se desentrañan los misterios de estos materiales, se abren posibilidades que podrían redefinir nuestra comprensión del universo material.
El camino hacia aplicaciones tecnológicas prácticas aún es largo, pero el estudio de los supersólidos promete no sólo revolucionar el campo de la física de materia condensada, sino también catalizar avances en superconductores, computación cuántica y nuevas formas de manipulación de la materia.
