Un supersólido es un superfluido con un orden espacial similar a un sólido. En 1970 se conjeturó que el helio-4 superfluido puede pasar a supersólido vía una transición de fase de segundo orden (transición lambda). Tras múltiples falsas alarmas durante décadas, desde 2017 parece que hay pruebas firmes. La última se acaba de publicar en Physical Review Letters. Las propiedades mecánicas (elásticas) del helio-3 sólido (bcc ³He) y el helio-4 sólido (hcp ⁴He) deben ser muy similares. Pero se observan diferencias a alta presión que se explican si el helio-4 es supersólido.

El helio-4 está formado por dos protones, dos neutrones y dos electrones, luego se comporta como un bosón, mientras que el helio-3 con un solo neutrón se comporta como un fermión. A baja temperatura el helio-4 forma un condensado de Bose–Einstein que se comporta como un superfluido. A presiones entre 20 y 40 atmósferas, el helio-3 y el helio-4 cristalizan y solidifican. En los sólidos hay defectos o vacantes (faltan ciertos átomos), que bajo presión son rellenadas por otros átomos, induciendo un flujo de dislocaciones; en el caso del helio-4 este flujo de átomos es sin viscosidad, es decir, un superfluido, luego se comporta como un supersólido. Ahora se ha comparado este flujo de dislocaciones entre el helio-3 y el helio-4 en el mismo sistema experimental, destacando sus diferencias.

Se acumulan muchas pruebas firmes de la supersolidez del helio-4, pero aún no tenemos la prueba definitiva. Quizás sea necesario probar que el helio-3 también se vuelve supersólido a una temperatura ultrabaja (cuando se emparejan como bosones sus átomos que son fermiones). El artículo es Zhi Gang Cheng, John Beamish, «Mass Flow through Solid 3He in the bcc Phase,» Phys. Rev. Lett. 121: 225304 (29 Nov 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.121.225304. Más información divulgativa en Chris Lee, «Super-solid helium state confirmed in beautiful experiment,» Ars Technica, 10 Dic 2018.

Más información en este blog en «Qué es exactamente un supersólido», LCMF, 05 May 2009; «Nueva evidencia de que el helio sólido puede ser un supersólido», LCMF, 18 Nov 2010; y «Otra vez se publican indicios firmes del helio-4 supersólido», LCMF, 05 Mar 2017.

El nuevo trabajo ha usado helio-4 gaseoso de alta pureza (1.35 ppm); recuerda que la concentración de impurezas en el helio-4 comercial ronda 120 ppm. El estudio usa un dispositivo experimental piezoeléctrico que aplica una presión sobre la muestra cuando se aplica un potencial eléctrico. En la figura se muestran los resultados de relajación de la muestra tras aplicar un potencial de 300 V durante 20 minutos (que comprime la muestra ∼1 μm) y luego cortarlo durante otros 20 minutos. Se observa un salto brusco en la presión (parte (b) en la figura para 30 mK) que es unas ∼6 veces mayor en helio-4 que en helio-3. Para 700 mK, donde helio-4 y helio-3 se comportan como sólidos similares, el cambio de presión es de 46.2 mbar/s durante los primeros 2.5 s, es decir, unas 2000 veces más rápñido que para 30 mK.

El flujo de las dislocaciones para el helio-4 por encima de 100 mK tiene una energía de activación de Ea ≈ 0.85 K. Por debajo de 100 mK, el flujo se desvía de la ley de Arrhenius para un sólido, aproximándose a un valor constante de ∼20 μbar/s (sobre todo por debajo de 50 mK); este flujo corresponde a energías de activación por debajo de 16 mK, es decir, por debajo de las energías asociadas a los defectos (o dislocaciones). Se interpreta este resultado como una contribución cuántica al flujo asociada a la supersolidez.

En resumen, cada día estamos más seguros que el helio-4 tiene un régimen de supersolidez. Sin embargo, aún no tenemos la seguridad que requiere un futuro Premio Nobel de Física, así como potenciales aplicaciones en metrología. Los supersólidos se nos escapan entre los dedos cual superfluidos. Pero creo, sinceramente, que cada día hay menos dudas entre los expertos.