Un supersólido hecho de átomos y luz, captado como nunca antes

El siglo XX estuvo marcado por el descubrimiento de estados exóticos de la materia. En primer lugar, se observó que el helio líquido fluía sin fricción a temperaturas extremadamente bajas, una fase que hoy se conoce como superfluido. Poco después, también se descubrió que, bajo las condiciones externas adecuadas, algunos materiales pueden conducir electricidad sin resistencia; estos materiales fueron denominados superconductores. Más tarde, en la década de 1960, los científicos añadieron la idea de los supersólidos a la lista: en este estado de la materia, los átomos fluyen sin fricción como un superfluido, al tiempo que mantienen el orden espacial periódico característico de un cristal.

Aunque los supersólidos fueron predichos hace años, solo recientemente se ha conseguido fabricarlos y explorar experimentalmente su naturaleza dual superfluida y cristalina. Aún quedan muchas preguntas abiertas sobre cómo y bajo qué condiciones estas propiedades se manifiestan en distintas plataformas.

Ahora, se ha conseguido por vez primera obtener imágenes directas de un supersólido acoplado espín-órbita. El equipo ha observado fluidos cuánticos de átomos que forman franjas cuyo espaciado oscila en el tiempo, al igual que ocurre en un cristal. Estos resultados demuestran de forma inequívoca la naturaleza dual superfluida y cristalina de estos sistemas.

El logro es obra de un equipo del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona, en colaboración con especialistas de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). Este equipo incluye a los físicos teóricos de la UAB Josep Cabedo y Alessio Celi, así como a los investigadores del ICFO Craig Chisholm, Sarah Hirthe, Vasiliy Makhalov, Ramon Ramos y Rémy Vatré, dirigidos por Leticia Tarruell, profesora contratada por la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA).

El equipo ha conseguido demostrar de manera inequívoca la supersolidez en átomos de potasio ultrafríos acoplados a la luz. Los autores de la investigación han obtenido imágenes de los llamados supersólidos acoplados espín-órbita, aportando pruebas concluyentes tanto de sus propiedades sólidas como superfluidas. Estas observaciones directas muestran una nube de átomos de potasio que forma espontáneamente franjas (una estructura similar a la de un cristal) cuyo espaciado oscila en el tiempo, acercándose y alejándose repetidamente. Gracias a la colaboración con los teóricos de la UAB, el equipo logró explicar los resultados experimentales describiendo la nube atómica como una mezcla de átomos modificados que interfieren, un marco teórico que fue llamado modelo de mixtura.

“Las estructuras cristalinas nunca son perfectamente estáticas”, explica Leticia Tarruell. “Los átomos vibran ligeramente alrededor de sus posiciones, variando la distancia entre ellos. Un verdadero supersólido debería compartir también esta característica, y eso es exactamente lo que hemos observado”. El equipo también observó que, cuando el tamaño total de la nube se expande o se contrae, aparecen nuevas franjas o desaparecen las existentes, respectivamente, un comportamiento relacionado con su naturaleza superfluida.

Imagen experimental in situ del perfil de densidad de la nube de átomos de potasio, medida mediante óptica de ondas de materia. Las franjas verticales muestran el orden espacial periódico heredado de la naturaleza sólida del supersólido. (Imagen: © ICFO. CC BY-NC)

¿Es un condensado de Bose-Einstein acoplado espín-órbita un verdadero supersólido?

Naturalmente, para obtener estas imágenes, los investigadores primero tuvieron que crear el supersólido. Al enfriar una nube de átomos de potasio hasta temperaturas cercanas al cero absoluto, los átomos se ralentizaron hasta quedar casi inmóviles, formando finalmente un condensado de Bose-Einstein (una fase exótica de la materia en la que todos los átomos ocupan el estado de mínima energía, compartiendo una única función de onda cuántica y, en consecuencia, comportándose colectivamente).

A continuación, los investigadores enviaron dos haces láser desde direcciones diferentes para acoplar el estado de espín de los átomos con su momento. Esto dio lugar a un condensado de Bose-Einstein acoplado espín-órbita, en el que dos estados atómicos con distinto momento interfieren entre sí. Esta interferencia es lo que produjo un patrón de franjas en la nube, dando lugar al supersólido.

“La mayor parte del trabajo previo en torno a los supersólidos se había realizado con gases cuánticos magnéticos, mientras que otras plataformas, como los condensados de Bose-Einstein acoplados espín-órbita, habían permanecido en gran medida inexploradas”, señala la profesora Tarruell. Como explica la investigadora, durante años se debatió si un condensado de Bose-Einstein acoplado espín-órbita podía convertirse en un verdadero supersólido, es decir, si de él podía emerger realmente una estructura cristalina con su rica dinámica.

“En experimentos anteriores se podía inferir indirectamente la aparición de un patrón cristalino, pero nosotros queríamos verlo con nuestros propios ojos”, comenta Sarah Hirthe. De hecho, las primeras imágenes directas de este tipo de supersólido han zanjado el debate en torno a los condensados de Bose-Einstein acoplados espín-órbita, estableciéndolos como una nueva y excelente plataforma para estudiar la supersolidez. “El potasio fue esencial para amplificar el patrón y permitirnos observar directamente su dinámica. En experimentos anteriores, los cuales usaban otras especies atómicas, el contraste de las franjas era demasiado bajo para verse con claridad y por eso solo podía inferirse”, añade la investigadora.

Un atisbo de futuros estados exóticos de la materia

El equipo ya está pensando en ir un paso más allá y aplicar los conocimientos adquiridos para crear lo que denominan un «líquido supersólido». Esta fase hipotética de la materia consistiría en gotas líquidas estabilizadas por efectos puramente cuánticos (como las descubiertas por el mismo grupo del ICFO en 2017) que además contendrían una estructura cristalina interna. De hacerse realidad, los líquidos supersólidos se unirían a la familia de estados exóticos de la materia, cuya exploración comenzó hace poco más de un siglo.

Por el momento, sin embargo, estas imágenes ya han marcado un hito en el campo al revelar una dinámica de las franjas indicativa tanto de un comportamiento superfluido como cristalino. Según Tarruell: “Por primera vez, hemos visto la estructura cristalina de un supersólido siendo verdaderamente dinámica, básicamente ‘respirando’, como si estuviera viva”.

El estudio se titula “Probing supersolidity through excitations in a spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate. Y se ha publicado en la revista académica Science. (Fuente: ICFO)