06/May/09

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Los supersólidos vistos desde una nueva luz

Es un sólido que no es sólido: puede fluir sin esfuerzo a través de la materia normal como si no estuviese allí. Esto es en principio un supersólido, pero durante al menos cinco años el verdadero origen de este estado de la materia, si es que es efectivamente real, ha desafiado las mentes y la destreza experimental de los físicos.

Ahora dos estudios realizados por investigadores en los Estados Unidos están dando una nueva perspectiva sobre el misterio, aunque está lejos de resolverse.

En el primer estudio, el premio Nobel Philip Anderson de la Universidad de Princeton aborda teóricamente los supersólidos. Contrariamente a los actuales modelos por ordenador, afirma que la supersolidez puede explicarse como un superfluido de vacantes atómicas en una red sólida. Además, dice que todos los sólidos "bosónicos" —aquellos que contienen átomos con valores de espín entero— deberían ser un supersólido en su estado base cuántico.

En el segundo estudio, Seamus Davis de la Universidad de Cornell y sus colegas encontraron pruebas de que firmas supersólidas observadas en otros experimentos realmente sugieren que es más un comportamiento vítreo que cristalino. En otras palabras, los supersólidos de los que se informó puede que sea más preciso llamarlos "supervidrios".

Señales extrañas

La primera buena prueba para la supersolidez llegó en 2004, cuando Moses Chan y su estudiante graduado Eun–Seong Kim de la Universidad Estatal de Pennsylvania esturiaron muestras de helio-4 dentro de un oscilador de torsión. Encontraron un pico en la frecuencia de oscilaciones por debajo de una temperatura de aproximadamente 200 mK, lo cual implica que parte del helio se había convertido en supersólido y se había desligado del resto de la muestra. Desde entonces al menos otros cinco grupos han reproducido las señales supersólidas de Chan, aunque los resultados de otros estudios han confundido cualquier comprensión sobre el origen del fenómeno.

La teoría original de supersólidos —ofrecida hace 40 años por los teóricos rusos Alexander Andreev e Ilya Liftshitz— decía que el comportamiento extraño estaría causado a baja temperatura cuando los huecos en la red de bosones se "condensaran" en el mismo estado cuántico base, y por tanto se comportaran como una única entidad coherente. Pero recientemente las simulaciones por ordenador han demostrado que cerca del cero absoluto debería haber pocos, si es que algún, hueco. Los experimentos también han demostrado que los cristales desordenados de helio parecen dar unas señales supersólidas más fuertes, lo cual implica que el fenómeno puede no ser una propiedad intrínseca del conjunto de helio sino una propiedad de defectos en la red.

El estudio teórico de Anderson, en sus propias palabras, abordar estos temas "desde un punto de vista distinto". Cree que las simulaciones por ordenador actuales no tienen la capacidad de descartar huecos. Sobre la base de que existen huecos, investiga cómo pueden cambiar su fase usando la "ecuación de Gross-Pitaevskii", la cual se usa comúnmente para el estudio de condensación atómica en gases fríos. Crea argumentos para la elección de distintos parámetros basados en resultados experimentales, y predice qué huecos se condensarían por debajo de 50 a 70 mK. Más importante, no obstante, predice los defectos que atraerían huecos y por tanto amplificarían la señal supersólida, como indican los experimentos.

Dinámica vítrea

El grupo de Davis, por otra parte, ha investigado lo que la dinámica de un oscilador de torsión puede decir sobre los supersólidos. Vienen con una teoría que predice la relación entre la respuesta energía-disipación y la frecuencia de respuesta para cualquier material dentro de un oscilador de torsión en diferentes momentos y temperaturas. Entonces reproducen los experimentos de oscilador de torsión con muestras de helio–4 calentándolas súbitamente desde 50 mK a distintas temperaturas hasta los 300 mK.

Encontraron que, dadas sus predicciones, la dinámica era más indicativa de un vidrio que de un estado cristalino. Pero debido al gran tamaño del desplazamiento de frecuencia, dicen que el estado parecía tener un "súper" componente. Esto indica una explicación probable para que las firmas de supersólida sean, por tanto, un supervidio, un sólido amorfo que exhibe alguna superfluidez.

Chan dice que está encantado con que el grupo de Davis haya confirmado los anteriores hallazgos de su grupo, y dice que es "interesante e instructivo" para examinar los resultados en términos de dinámica vítrea. También piensa que el papel de Anderson es significativo, debido a que muestra, como indican los experimentos, que la supersolidez pueden existir tanto en cristales de helio "perfectos" como en desordenados. No obstante dice que aún quedan muchos misterios, tales como el hecho de que la firma supersólida se haya mostrado que varía en hasta tres órdenes de magnitud.

¿Qué es el estado base?

Boris Svistunov, teórico de la Universidad de Massachusetts que en 2006 ayudó a predecir la existencia de un estado de supervidrio para el helio 4, cree que las conclusiones del grupo de Davis son "notables".

No obstante, tiene menos elogios para el trabajo de Anderson. Cree que Anderson está equivocado cuando dice que las simulaciones no son lo bastante potentes para descartar los huecos, debido a que todas las simulaciones que se necesitan hacer son las del cálculo del salto requerido para crear uno de ellos. Además, comenta que la afirmación de Anderson sobre que el sólido bosónico Ies un supersólido en su estado base es "incorrecta". Señala la investigación que publicó en 2005 en la que calcula que una serie de saltos finitos para los lugares de huecos y defectos provocan estados base aislantes y no supersólidos.

Anderson dijo a physicsworld.com que esperaba que su trabajo fuese controvertido, y admite que nadie ha tenido hasta el momento las capacidades experimentales para examinar otros sólidos bosónicos en su estado base y por lo tanto apoyan su afirmación. "La dirección más intrigante es la de los átomos fríos en una red, y la gente está haciendo esto", dice.

La investigación se publica en la revista Science.

Fuente: Ciencia Kanija. Aportado por Gustavo A. Courault