Observan las vibraciones cristalinas de un supersólido hecho de átomos y luz

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, en 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, no ha sido hasta hace poco que se ha logrado realizarlos experimentalmente y que se ha empezado a explorar su naturaleza dual superfluida y cristalina. Aún quedan muchas preguntas abiertas sobre cómo y en qué condiciones estas propiedades se manifiestan en distintas plataformas. Ahora, los investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) Craig Chisholm, Sarah Hirthe, Vasiliy Makhalov, Ramon Ramos y Rémy Vatré, dirigidos por la profesora ICREA Leticia Tarruell, en colaboración con los investigadores de la UAB Josep Cabedo y Alessio Celi, han conseguido demostrar de manera inequívoca la supersolidez en átomos de potasio ultrafríos acoplados a la luz.

La investigación ha permitido obtener, por primera vez, imágenes de los llamados supersólidos acoplados espín-órbita, aportando pruebas concluyentes de sus propiedades tanto sólidas como superfluidas. Estas observaciones directas, ahora publicadas en Science, 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 de los investigadores de la UAB, el equipo ha logrado explicar los resultados experimentales describiendo la nube atómica como una mezcla de átomos modificados que interfieren, un marco teórico llamado modelo de mixtura desarrollado durante la etapa doctoral de Josep Cabedo en la UAB, dirigida por el profesor agregado del Grupo de Óptica del Departamento de Física de la UAB Alessio Celi.

Para el profesor Alessio Celi, el modelo semianalítico de mixtura «destaca por su simplicidad y su fuerte acuerdo con los datos. Sorprendentemente, conseguimos explicar las franjas supersólidas y su danza excepcional con átomos modificados que se comportan de manera diferente debido al acoplamiento de la luz». 

«Las estructuras cristalinas nunca son perfectamente estáticas», explica la profesora ICREA Leticia Tarruell. «Los átomos vibran ligeramente alrededor de sus posiciones, de forma que la distancia entre ellos va variando. 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.

¿Un condensado de Bose-Einstein acoplado espín-órbita es 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, comparten una única función de onda cuántica y, en consecuencia, se comportan 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 entorno 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, una de las primeras coautoras del artículo. 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, en los cuales se usaban otras especies atómicas, el contraste de las franjas era demasiado bajo para verlas 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 que descubrió 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 este campo al revelar una dinámica de las franjas indicativa de un comportamiento tanto superfluido como cristalino. Según la profesora Tarruell, «Por primera vez, hemos visto la estructura cristalina de un supersólido siendo verdaderamente dinámica, básicamente “respirando”, como si estuviera viva».

Referencia:

C. S. Chisholm, S. Hirthe, V. B. Makhalov, R. Ramos, R. Vatré, J. Cabedo, A. Celi, L. Tarruell, Probing supersolidity through excitations in a spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate, Science (2026).