Supersólido - Supersolid
| Física de la Materia Condensada |
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| Fases · Transición de fase · QCP |
En la física de la materia condensada , un supersólido es un material ordenado espacialmente con propiedades superfluidas . En el caso del helio-4 , se ha conjeturado desde la década de 1960 que podría ser posible crear un supersólido. A partir de 2017, varios experimentos que utilizaron condensados atómicos de Bose-Einstein proporcionaron una prueba definitiva de la existencia de este estado . Las condiciones generales necesarias para que surja la supersolidez en una determinada sustancia son un tema de investigación en curso.
Fondo
Un supersólido es un estado cuántico especial de la materia donde las partículas forman una estructura rígida ordenada espacialmente, pero también fluyen con viscosidad cero . Esto contradice la intuición de que el flujo, y en particular el flujo superfluido con viscosidad cero, es una propiedad exclusiva del estado del fluido , por ejemplo, fluidos superconductores de electrones y neutrones, gases con condensados de Bose-Einstein o líquidos no convencionales como el helio. 4 o helio-3 a temperatura suficientemente baja. Por lo tanto, durante más de 50 años no estuvo claro si el estado supersólido puede existir.
Experimentos usando helio
Si bien varios experimentos arrojaron resultados negativos, en la década de 1980, John Goodkind descubrió la primera anomalía en un sólido mediante el uso de ultrasonidos . Inspirados por su observación, en 2004 Eun-Seong Kim y Moses Chan de la Universidad Estatal de Pensilvania vieron fenómenos que se interpretaron como un comportamiento supersólido. Específicamente, observaron un momento de inercia rotacional no clásico de un oscilador de torsión. Esta observación no pudo ser explicada por modelos clásicos, pero fue consistente con el comportamiento de superfluido de un pequeño porcentaje de los átomos de helio contenidos dentro del oscilador.
Esta observación desencadenó una gran cantidad de estudios de seguimiento para revelar el papel que juegan los defectos de los cristales o las impurezas de helio-3. La experimentación adicional ha arrojado algunas dudas sobre la existencia de un verdadero supersólido en helio. Más importante aún, se demostró que los fenómenos observados podrían explicarse en gran medida debido a cambios en las propiedades elásticas del helio. En 2012, Chan repitió sus experimentos originales con un nuevo aparato que fue diseñado para eliminar tales contribuciones. En este experimento, Chan y sus coautores no encontraron evidencia de supersolidez.
Experimentos usando gases cuánticos ultrafríos
En 2017, dos grupos de investigación de ETH Zurich y del MIT informaron sobre la creación de un gas cuántico ultrafrío con propiedades supersólidas. El grupo de Zurich colocó un condensado de Bose-Einstein dentro de dos resonadores ópticos, que mejoraron las interacciones atómicas hasta que comenzaron a cristalizar espontáneamente y formar un sólido que mantiene la superfluidez inherente de los condensados de Bose-Einstein. Esta configuración da cuenta de una forma especial de un supersólido, el llamado supersólido de celosía, donde los átomos se fijan a los sitios de una estructura de celosía impuesta externamente. El grupo del MIT expuso un condensado de Bose-Einstein en un potencial de doble pozo a haces de luz que crearon un acoplamiento de órbita-espín efectivo. La interferencia entre los átomos en los dos sitios de retícula acoplados en órbita de espín dio lugar a una modulación de densidad característica.
En 2019, tres grupos de Stuttgart, Florencia e Innsbruck observaron propiedades supersólidas en condensados dipolares de Bose-Einstein formados a partir de átomos de lantánidos . En estos sistemas, la supersolidez surge directamente de las interacciones atómicas, sin necesidad de una red óptica externa. Esto facilitó también la observación directa del flujo superfluido y, por lo tanto, la prueba definitiva de la existencia del estado supersólido de la materia.
En 2021, se utilizó disprosio para crear un gas cuántico supersólido bidimensional.
Teoría
En la mayoría de las teorías de este estado, se supone que las vacantes (sitios vacíos normalmente ocupados por partículas en un cristal ideal) conducen a la supersolidez. Estas vacantes son causadas por energía de punto cero , lo que también hace que se muevan de un sitio a otro en forma de ondas . Debido a que las vacantes son bosones , si tales nubes de vacantes pueden existir a temperaturas muy bajas, entonces una condensación de vacantes de Bose-Einstein podría ocurrir a temperaturas inferiores a unas pocas décimas de kelvin. Un flujo coherente de vacantes equivale a un "superflujo" (flujo sin fricción) de partículas en la dirección opuesta. A pesar de la presencia del gas de las vacantes, la estructura ordenada de un cristal se mantiene, aunque con menos de una partícula en cada sitio de celosía en promedio. Alternativamente, un supersólido también puede emerger de un superfluido. En esta situación, que se realiza en los experimentos con condensados atómicos de Bose-Einstein, la estructura ordenada espacialmente es una modulación en la parte superior de la distribución de densidad de superfluidos.
Ver también
Referencias
enlaces externos
- Historia de la naturaleza en un experimento supersólido
- Penn State: ¿Qué es un supersólido?
- "Comportamiento supersólido detectado en gases cuánticos dipolares" . Mundo de la física . 20 de abril de 2019.