SUPERSÓLIDOS por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

Los estados de agregación de la materia son bien conocidos. Buenos, algunos de ellos menos. Los clásicos; sólido, líquido y gaseoso, se ven superados en tiempo reciente por otros estados identificados, como el plasma, ya incorporado a la rutina hace tiempo y otros que no se producen de forma natural en entornos próximos a nosotros, como el condensado de Bose-Einstein, el condensado fermiónico o las estrellas de neutrones, y se apunta a otros nuevos como el plasma de quarks-gluones. Se suele emplear el término fase como sinónimo de estado de la materia y los sistemas pueden presentar varias fases distinguibles.

Hace tiempo que el devenir científico no está marcado con prevalencia por aspectos experimentales o teóricos. Cualquiera de los dos ámbitos pueden adelantarse en algún momento dado. En nuestro tiempo es más corriente el avance experimental que el teórico, que ha ido marcando los últimos logros y desarrollos del conocimiento en casi un siglo. Aspectos concretos de las predicciones teóricas se desarrollan en la experiencia e incuso aspectos no previstos emergen con mucha frecuencia, lo que hace modificar nuestra comprensión de la Naturaleza y las teorías con las que la interpretamos.

La cuántica ha perturbado mucho el argumento teórico. La materia cuántica puede ser sólida y fluida simultáneamente. Esto se conoce como “supersolidez”. Es una propiedad fantástica que ahora se ha conseguido en dos dimensiones en dos ejes en que se expresa un gas cuántico ultrafrío, como ha publicado un equipo dirigido por Francesca Ferlaino en la revista Nature. Es la primera vez que se produce tal estado en un laboratorio

El conocimiento del comportamiento de la materia a nivel cuántico es imprescindible para poder investigar las consecuencias e implicaciones de las interacciones que se dan en la materia. Hasta el momento actual era un campo inaccesible dado que requiere tener acceso a controlar con precisión las partículas a nivel individual. Los colectivos exhiben unas propiedades que derivan de la descripción microscópica. La macroscópica es la que observamos, en casos a simple vista, pero es el nivel microscópico el apropiado para deducir las relaciones causa efecto y las propiedades percibidas. Es preciso para llegar a efectuar este análisis disponer de acceso a partículas individuales en nubes de gas que hay que enfriar muy intensamente, para obviar las consecuencias de la temperatura, que desdibuja la esencia del comportamiento particular, de forma que no se observan en condiciones cotidianas los fenómenos a los que la Ciencia quiere tener acceso.

En un condensado de Bose los átomos están deslocalizados. Este enunciado implica que un mismo átomo puede estar en cualquiera de los puntos en los que ocupa el condensado. El grupo de investigación de la Universidad de Insbruck, liderado por Ferlaino logró generar estados supersólidos de gases cuánticos ultrafríos de átomos con propiedades magnéticas, que son las responsables de que se formen gotas, lo que implica un autoorganización siguiendo patroneds regulares. La clave de la interpretación es que desde una mente clásica cada átomo está en una gota concreta y no es posible su presencia en varias gotas simultáneamente. Pero si el estado es supersólido, las partículas están deslocalizadas en todas las gotas y existe simultáneamente en todas ellas. Nos recuerda bastante a la nube electrónica que la teoría de orbitales moleculares introdujo sustituyendo a la primitiva idea clásica de las órbitas para describir los estados electrónicos atómicos o moleculares. El resultado es que un sistema en estas condiciones presentará regiones de alta densidad, que en este caso correspondería a las gotas, que comparten los mismos átomos. La cuestión es de mucho interés, dado que de esta forma un efecto previsible es el flujo sin fricción pese a la existencia de un orden espacial.

El avance consiste en que hasta ahora solamente se habían observado gases cuánticos unidimensionales, es decir como si fuera una cadena de gotas en una sola dimensión. Ahora lo que se ha publicado aporta sistemas con dos o mas filas de gotas. Los retos para profundizar son muchos, como por ejemplo la formación de vórtices entre las gotas, que todavía no se han observado, aunque la teoría los describe.

Ya ha transcurrido mucho tiempo desde que fue descrito el Helio superfluido, pese a que no se había comprobado experimentalmente. El superfluido es un estado de la materia, en el que la viscosidad está ausente, por lo que fluiría sin fricción. Descubierta en 1937 por Kapitsa y colaboradores, lo que dio origen a la denominada hidrodinámica cuántica. La investigación propició la identificación de dos isótopos del Helio, el 3 y el 4 que se comportan de forma diferente y permite examinar los efectos de dos estadísticas cuánticas distintas, la de Bose-Einstein y la de Fermi-Dirac.

Ahora los supersólidos emanan de la propuesta de hace más de cincuenta años en relación con el helio superfluido. Solo hace unos dos años que se logró por primera vez generar un supersólido, partiendo de átomos magnéticos, con elevada polaridad, por tanto, en gases cuánticos ultrafríos. Es la confirmación de la existencia del estado mecano-cuántico de la materia, hasta ahora solamente conjeturado.  La Naturaleza se revela compleja. Cada vez que damos un paso, descorremos las cortinas de una ventana que introduce más interrogantes de los que teníamos cuando empezamos la investigación. La analogía del ramo de cerezas es la más real aproximación a la situación usual en el mundo investigador. Nos falta todavía, quizás por desenfoque, dar con la clave de la organización, el metaconocimiento que nos sitúe con ventaja para abordar el avance del conocimiento. Las mentes con la capacidad de síntesis suficiente son las que nos han venido sacando de los atolladeros anteriores. Va llegando el momento de que el escenario cambie para proseguir adecuadamente.