Otra vez se publican indicios firmes del helio-4 supersólido

Dibujo20170302 bose-einstein condensate simulation Physical Review Letter supersolid

La supersolidez del helio-4 fue predicha en 1969 por Andreev y Liftshitz, en contra de su negación en 1956 por Penrose y Onsager. Los primeros indicios se publicaron en Nature en 2004. El físico John Reppy (Univ. Cornell, EEUU), némesis del supersólido, los criticó duramente hasta su jubilación en 2010. Anuncios independientes siguen llegando todos los años. El nuevo es espectacular, dos artículos publicados en Nature, uno de ellos liderado por un premio Nobel de Física 2001. Las evidencias de la supersolidez son esquivas. Si se confirma el logro podemos augurar un segundo Premio Nobel de Física. Pero en un asunto tan polémico como la supersolidez del helio-4 a temperaturas de nanokelvin siempre hay que ser muy cauto. Al menos en homenaje a Reppy.

Un supersólido es un estado de la materia que comparte propiedades de los sólidos y de los superfluidos (fluidos con viscosidad nula). La solidez de un cristal significa la rotura de la simetría de traslación espacial (correlaciones espaciales de gran rango). En el caso de un estado condensado de Bose-Einstein de átomos con dos niveles energéticos se observarían bandas paralelas con valores de energía alternos. Para los amantes de la física teórica no hay duda de que el helio-4 supersólido debe existir, pues la teoría que lo predice es elegante y bella. Aún así, la Naturaleza es la que tiene la última palabra.

Los nuevos artículos son Julian Léonard, Andrea Morales, …, Tobias Donner, “Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry,” Nature 543: 87–90 (02 Mar 2017), doi: 10.1038/nature21067, arXiv:1609.09053 [cond-mat.quant-gas], y Jun-Ru Li, Jeongwon Lee, …, Wolfgang Ketterle, “A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates,” Nature 543: 91–94 (02 Mar 2017), doi: 10.1038/nature21431, arXiv:1610.08194 [cond-mat.quant-gas]. Más información en Kaden R. A. Hazzard, “Quantum physics: A solid more fluid than a fluid,” Nature 543: 47–48 (02 Mar 2017), doi: 10.1038/543047a, y en Stephen Ornes, “The return of supersolids,” Physics World 30: 24 (2017), doi: 10.1088/2058-7058/30/2/40.

Por cierto, los autores del artículo en Nature en 2004 siguen aportando indicios sobre su descubrimiento pionero, como Jaewon Choi, Jaeho Shin, Euseong Kim, “Frequency-dependent Study of Solid Helium-4 Contained in a Rigid Double-torus Torsional Oscillator,” Physical Review B 92: 144505 (2015), doi: 10.1103/PhysRevB.92.144505, arXiv:1701.07621 [cond-mat.other]. Sobre las críticas a su trabajo recomiendo leer a Eugenie Samuel Reich, “The supersolid’s nemesis. John Reppy has come out of retirement,” Nature 468: 748-750 (2010), doi: 10.1038/468748a. Más información sobre la situación actual de la supersolidez en Massimo Boninsegni, Nikolay V. Prokof’ev, “Supersolids: What and where are they?” Rev. Mod. Phys. 84: 759 (2012), doi: 10.1103/RevModPhys.84.759, arXiv:1201.2227 [cond-mat.stat-mech]; y en Robert Hallock, “Is solid helium a supersolid?” Physics Today 68: 30 (2015), doi: 10.1063/PT.3.2782.

Dibujo20170304 Characteristics of a supersolid nature 543047a-f1

Agarras con la mano un sólido. Intentas agarrar con la mano el agua. La diferencia es tan grande que cuesta imaginar un sólido rígido que se comporte como un fluido sin viscosidad. Sin embargo, los estados condensados de Bose–Einstein a temperaturas de nanokelvin están muy alejados de nuestra intuición cotidiana. En realidad, la solidez y la superfluidez de un supersólido caracterizan dos estados ordenados diferentes. La solidez corresponde al orden espacial de sus partículas; como átomos localizados en posiciones fijas en un cristal, la simetría de traslación en el espacio está rota, ordenándose las partículas en planos (en 3D) o en líneas (en 2D). La fluidez corresponde al orden en la fase de las funciones de onda de las partículas que actúan como un todo sin importar las características íntimas de la pared del recipiente que los contiene, luego sin mostrar fricción alguna. Ambos tipos de orden son independientes, pero demostrarlos de forma simultánea en un experimento raya la imposible. De ahí la dificultad en observar la supersolidez fuera de toda duda.

Según los modelos teóricos, el experimento es fácil de realizar. Se enfría un gas de átomos de helio-4 en un estado de Bose–Einstein a una temperatura muy por debajo de la que garantiza que se comporta como un superfluido. A cierta temperatura aparecerá la supersolidez. Para demostrarla se recurre al acoplamiento espín-órbita de estos átomos, que se comportan como si un cubit con dos niveles energéticos; usando luz láser se puede cambiar el estado de estos cubits. La supersolidez se observará en un cambio ordenado en el espacio de muchos átomos, es decir, mediante la aparición de planos (en 3D) o de líneas (en 2D) en la distribución de espines. Usando difracción de Bragg se confirma dicha observación, igual que se estudia la estructura cristalina de un sólido.

El artículo publicado en Nature por Chan y Kim en 2004 partía de helio-4 en estado sólido (a una temperatura por debajo de 1 K y a una presión de unos 62 bares). Colocado en una balanza de torsión oscilatoria (rota de forma alterna en ambas direcciones), mientras se bajaba la temperatura se observó un cambio en su frecuencia oscilatoria (a una temperatura de unos 175 mK para una presión de 62 ± 2 bares). Se interpretó el resultado como que la masa de helio-4 sólido había decrecido, una señal del estado supersólido según el artículo de Andreev y Liftshitz de 1969. La reproducción independiente de este experimento resultó problemática. Reppy y Rittner publicaron en 2006 una explicación de la observación de Chan y Kim basada en la aparición de defectos en el helio-4 sólido. Descontando dicho efecto, mediante un diseño experimental que eliminaba dichos defectos, la señal de la supersolidez desaparecía. Los propios Chan y Kim confirmaron en 2012 el resultado de Reppy y Rittner. Una lección de libro de texto de cómo funciona la ciencia.

Dibujo20170304 Breaking continuous translational symmetry in a superfluid quantum gas nature21067

Julian Léonard (ETH Zurich, Suiza) y sus colegas colocan el superfluido entre dos espejos (una cavidad óptica). Al incidir un láser en los átomos, estos se excitan y emiten luz, que resuena en la cavidad. La onda estacionaria ejerce una fuerza sobre los átomos que se colocan en un estado ordenado de forma espacial. Con otro láser se explora y confirma dicho estado ordenado. Según los autores del artículo en Nature esto es suficiente para afirmar que el superfluido se ha transformado en supersólido.

Sin embargo, no es lo mismo forzar un superfluido a un estado de tipo supersólido, que verificar que el superfluido cambia a un estado supersólido de forma espontánea a cierta temperatura. No soy experto, pero los argumentos de Léonard y sus colegas no me acaban de convencer. En los estados condensados de Bose–Einstein se observan patrones de vórtices que aparentan estar ordenados, como las celdas de convección tipo Rayleigh-Bénard. Sus observaciones me recuerdan mucho a dicho fenómeno.

Dibujo20170304 Bragg detection of a lattice supersolid caused by an antiferromagnetic spin texture nature21431-f4

Los resultados del grupo de Wolfgang Ketterle (MIT, EEUU) siguen una línea parecida, transformar un superfluido en un supersólido, aunque su esquema experimental me parece más convincente. Se usan láseres para transferir cierto momento a los átomos del superfluido; gracias al acoplamiento espín-órbita para generar bandas (supersolid stripes) de espín alterno. Este patrón rompe la simetría de traslación en el espacio y fue predicho por algunos teóricos.

El problema de nuevo es que partir de un superfluido y forzar que aparezca un patrón típico de un supersólido no es suficiente para garantizar que dicho supersólido sigue superfluyendo. La prueba definitiva sería un experimento en el que se pudieran probar de forma directa ambas propiedades de un supersólido, su solidez y su superfluidez. La autoría de un Premio Nobel de Física es argumento de autoridad suficiente para muchos, pero en rigor no es suficiente para lograr el consenso científico.

En resumen, dos artículos muy interesantes, publicados en la prestigiosa Nature, vuelven a poner la supersolidez del helio-4 en el candelero. Sin embargo, aunque yo no soy experto en estas lides, creo que sus indicios siguen siendo insuficientes para proclamar de forma definitiva que se ha logrado observar por primera vez un supersólido. Los esquemas experimentales son muy interesantes y seguro que futuros equipos de investigación repetirán y extenderán estos resultados. Quizás pronto alguien dé con la idea feliz que permita explorar las dos caras del Jano supersólido.


5 Comentarios

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EloyEloy

Muy interesante Francis.
Un error sin importancia “El artículo publicado en Nature por Chan y Kim en 2004 partía de hielo-4 sólido.” Sería helio-4.
Saludos

Juan PerezJuan Perez

Mal la nota. Los indicios del supersólido NO se encontraron en Helio-4, sino en una gas ultrafrío de Rb87. Uno dentro de una cavidad cuántica(ETH) y el otro a través del acoplamiento espín-órbita mostraron fase supersólida. Pero hay que aclarar, que los estados mostrados en estos sistemas son SIMULADORES CUÁNTICOS, es decir, la fase supersólida corresponde al rompimento de la simetria Z2 en coexistencia con la fase superfluida. Distinto al supersólido de Helio-4 donde había un “superflujo” de masa

ArturoArturo

Los experimentos que citas fueron con Rubidio, no con Helio! y son simuladores cuánticos de la fase supersólida, no supersólidos como el predicho por Kim!! Es decir, es un gas ultrafrío con orden espacial y superfluidez

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