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El calor puede congelar fluidos en el mundo cuántico

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Al comienzo de la primavera, la nieve y el hielo comienzan a derretirse a medida que aumentan las temperaturas. Esto está en línea con nuestra intuición común de que el calor convierte un sólido en líquido y, eventualmente, vaporiza el fluido formado.

Un descubrimiento reciente, publicado en la revista científica Nature Communications, invierte ahora esta noción y establece que calentar un fluido también puede provocar su transformación en un estado sólido de la materia. El sistema considerado, sin embargo, no es el tipo ordinario de sólido y, a diferencia de los cubos de hielo en el agua, solo se forma en condiciones extremas en las que los efectos de la mecánica cuántica comienzan a desempeñar un papel predominante.

Supersólidos

De hecho, las leyes de la mecánica cuántica permiten la aparición de formas de materia bastante inusuales que desafían la simple categorización en sólidos, fluidos y gases. Uno de esos estados exóticos es el llamado supersólido. En un supersólido, las partículas se organizan para congelarse en un estado ordenado y, al mismo tiempo, pueden fluir a través del sólido formado sin fricción. Esta aparente contradicción ha fascinado a los investigadores durante muchas décadas, desde la primera conjetura de supersolidez hace más de 50 años.

Sin embargo, solo recientemente los científicos han encontrado formas de explorar estas preguntas en experimentos reales. Esto ha sido posible gracias a una versión mecánica cuántica de los llamados ferrofluidos. Estos ferrofluidos consisten en diminutas partículas magnéticas suspendidas en un fluido portador. 

Inventados en la NASA a principios de los años 60, estos coloides magnéticos tienen numerosas propiedades sorprendentes que, desde entonces, han tenido importantes aplicaciones en electrónica, ingeniería mecánica y otras industrias. En un ferrofluido cuántico, las partículas magnéticas vienen en forma de átomos individuales que llevan un gran dipolo magnético. En el laboratorio, estos fluidos cuánticos dipolares son pequeñas gotas que solo contienen unos 10.000 átomos, enfriadas por luz láser a temperaturas asombrosamente bajas, cercanas al cero absoluto.

Condiciones extremas como estas pueden obligar a todos los átomos a ocupar un solo estado cuántico y, por lo tanto, a formar el llamado condensado de Bose-Einstein. En el marco de la mecánica cuántica, el condensado de Bose-Einstein puede considerarse como un fluido cuántico compuesto por una sola onda gigante que puede propagarse sin resistencia: un superfluido con viscosidad cero. En un superfluido dipolar, la interacción magnética entre los átomos puede desencadenar la aparición de patrones regulares en el condensado de Bose-Einstein. El estado resultante corresponde a un supersólido y se observó hace unos años en una serie de experimentos innovadores.

El papel de la temperatura

Sobre la base de estos hallazgos, una colaboración entre investigadores de la Universidad de Aarhus (Dinamarca), la Universitat Politècnica de Catalunya, la Universidad de las Illes Balears y la Universidad de Innsbruck (Austria) se propuso comprender el papel que desempeña la temperatura en la fenomenología de los supersólidos dipolares. Si bien la mayoría de las mediciones anteriores se realizaron a las temperaturas más bajas posibles, el experimento de la Universidad de Innsbruck se diseñó para estudiar el comportamiento de fusión de los supersólidos con una variación controlada de la temperatura.

Para sorpresa de todos, los datos revelaron que el aumento de la temperatura también podría desencadenar la formación de un supersólido en lugar de la fusión anticipada en un superfluido. La teoría desarrollada ofreció una explicación intuitiva para este comportamiento aparentemente paradójico. El aumento de la temperatura suele aumentar las fluctuaciones en un sistema y acelera el movimiento térmico de las partículas. Si este movimiento aleatorio se vuelve demasiado grande, un material se derrite o un fluido se vaporiza.

Elevar la temperatura de un condensado de Bose-Einstein también aumenta las fluctuaciones y expulsa los átomos del condensado, que siguen siendo parte del fluido cuántico. Sorprendentemente, la interacción magnética de incluso una pequeña fracción de estos átomos expulsados puede tener un efecto dramático en el condensado de Bose-Einstein e inducir la formación de la fase supersólida.

«La física de los fluidos cuánticos dipolares ya ha revelado muchas sorpresas, pero no esperábamos en absoluto que estos fluidos pudieran solidificarse al calentarse», dice Thomas Pohl, quien dirigió los esfuerzos teóricos en la Universidad de Aarhus. «Aclarar esta paradoja ha sido un rompecabezas emocionante de resolver y es otro paso crucial hacia una mejor comprensión de estos sistemas ricos y fascinantes», agregó Fabian Maucher del grupo de investigación en Ondas No Lineales de la Universidad de las Illes Balears.

De hecho, los hallazgos de los autores podrían iniciar investigaciones más detalladas sobre la termodinámica de los superfluidos dipolares, que ha permanecido en gran parte como territorio científico inexplorado hasta ahora. «Estudiar este efecto ha planteado muchas más preguntas», explica el primer autor, Juan Sánchez Baena, «y espero que podamos utilizar nuestros conocimientos recientes y resolver algunos de estos misterios restantes».

Referencia bibliográfica 

Sánchez-Baena, J.; Politi, C.; Maucher, F.; Ferlaino, F. & Pohl, T. Heating a dipolar quantum fluid into a solid. Nature Communications, 14, 1868 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37207-3. 

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