Un ferrofluido cuántico que parece comportarse como un supersólido

Dibujo2060211 Schematic experimental procedure strongly dipolar Dy BEC induced an instability atoms clustered to droplets in a triangular pattern nature16485_F1

Un supersólido es un material que se comporta de forma simultánea como un cristal sólido y como un superfluido. Un estado condensado de Bose–Einstein de disprosio (Dy) con unos 15 mil átomos enfriado a 70 nanokelvin se comporta como un superfluido. Bajo un campo magnético intenso (unos 7 gauss) se produce una transición de fase que lleva a la formación de gotas que interaccionan entre sí formando una red triangular similar a la de un cristal. Un nuevo artículo en Nature propone que se podría tratar del primer ejemplo un supersólido.

Hace años se pensaba que el helio sólido era un supersólido ya que parecía comportarse como un superfluido. Sin embargo, aparecieron dudas al respecto y hoy en día se descarta que lo sea. No conocemos ningún otro supersólido y el disprosio podría ser el primero. A falta de su confirmación de forma independiente y dadas las dudas.

Holger Kadau et al., «Observing the Rosensweig instability of a quantum ferrofluid,» Nature 530: 194–197 (11 Feb 2016), doi: 10.1038/nature16485, arXiv:1508.05007 [cond-mat.quant-gas].

Dibujo2060211 Dibujo2016021 droplet patterns ranging from two to ten. droplets nature16485_F1

El disprosio es el elemento químico con número atómico 66, un metal de transición del grupo de los lantánidos. Se comporta como un ferrofluido. Cuando se aplica una magnetización creciente aparece una inestabilidad de Rosensweig y sufre una transición de fase que da lugar a la formación de gotas con una estructura triangular ordenada similar a un cristal. Hay ferrofluidos cuánticos que en un estado condensado de Bose–Einstein muestran superfluidez. Sin embargo, en ninguno se ha observado que la inestabilidad de Rosensweig produzca la cristalización de gotas. Hasta ahora.

Dibujo2060211 Evaluation of the structures and lifetime analysis observing the Rosensweig instability of a quantum ferrofluid nature16485_F2

Por supuesto, hay que ser cautos cuando hablamos de supersólidos (algunos expertos afirman que no pueden existir). Cuando se forma la estructura cristalina de gotas en el disprosio-164 verificar su superfluidez es muy difícil. Los autores del nuevo estudio no se atreven a realizar una afirmación rotunda al respecto, aunque muestran ciertos indicios a favor de la existencia de las dos fases, sólida y superfluida. En concreto para pocas gotas (entre dos y diez) cada una de unos 1750±300 átomos. Su interacción mutua es muy fuerte, como ocurre en un ferrofluido clásico que se comporta como un cristal sólido. Durante unas decenas de milisegundos se observa una histéresis que se puede interpretar como la convivencia de los estados sólido y superfluido.

Dibujo2060211 Hysteresis of pattern formation From Observing the Rosensweig instability of a quantum ferrofluid nature16485_F3

El condensado de Bose–Einstein de Dy se somete a un campo magnético de B = 6,962(3) G, que se reduce linealmente hasta B = 6,860(3) G. Luego se repite el proceso a la inversa, subiendo el campo magnético. Se forman las gotas y su estructura cristalina triangular. Parece bastante razonable que convivan este estado sólido y otro fluido, que podría ser superfluido. Pero por ahora no está confirmado este último punto.

En resumen, se publica en Nature de nuevo lo que podría ser el primer supersólido. Muchos deseamos que así sea, pero se necesitan más indicios a favor para lograr la evidencia definitiva. No será fácil, pero muchos grupos de investigación tratarán de repetir este trabajo y diseñar técnicas de medida de la posible superfluidez del disprosio.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 11 febrero, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nature • Physics • Science
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