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Supersólido

Agosto 04, 2021

En física de la materia condensada, un supersólido es un material ordenado espacialmente con propiedades de un superfluido. Desde los años 60s se ha hipotetizado que el helio-4 puede crear un supersólido.[1]​ En 2017, varios experimentos que utilizaron condensados de Bose-Einstein proporcionaron una prueba definitiva de la existencia de este estado.[2]​ Las condiciones generales necesarias para que surja el estado supersólido en una determinada sustancia son un tema de investigación actualmente.

Antecedentes

El estado 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 temperaturas lo suficientemente bajas. Por lo tanto, durante más de 50 años no estuvo claro si el estado supersólido podía existir. [3]​

Experimentos usando helio

Si bien varios experimentos arrojaron resultados negativos, en los años 80s, John Goodkind descubrió la primera anomalía en un sólido mediante el uso de ultrasonidos.[4]​ Inspirados por su observación, en 2004 Eun-Seong Kim y Moses Chan de la Universidad Estatal de Pensilvania vieron fenómenos que interpretaron como un comportamiento supersólido.[5]​ Específicamente, observaron un momento de inercia rotacional no clásico de un oscilador de torsión.[6]​ Esta observación no pudo ser explicada por los modelos clásicos, pero fue consistente con el comportamiento de superfluido de un pequeño porcentaje de átomos de helio contenidos dentro del oscilador

Esta observación dio pie a una gran cantidad de estudios relacionados para revelar el papel que juegan los defectos de los cristales o las impurezas del helio-3. Sin embargo, resultados de experimentos adicionales han puesto en duda la existencia de un verdadero supersólido en helio. Aún más importante, se demostró que los fenómenos observados podían explicarse, en gran medida, debido a cambios en las propiedades elásticas del helio.[7]​ En 2012, Chan repitió sus experimentos originales con un equipo nuevo que fue diseñado para eliminar tales errores. En este experimento, Chan y sus coautores no encontraron evidencia de un supersólido.[8]​

Experimentos usando gases cuánticos ultra-fríos

En 2017, dos grupos de investigación de ETH Zurich y del MIT informaron sobre la creación de un gas cuántico ultra-frío con propiedades supersólidas. El grupo de Zúrich colocó un condensado de Bose-Einstein dentro de dos resonadores ópticos, que aumentaron las interacciones atómicas hasta que comenzaron a cristalizar espontáneamente y formar un sólido que mantiene la superfluidez inherente de los condensados de Bose-Einstein.[9]​[10]​ 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. La interferencia entre los átomos en los dos sitios de retícula acoplados en órbita de espín dio lugar a una modulación de densidad característica[11]​[12]​

En el 2019, tres grupos de Stuttgart, Florencia e Innsbruck observaron propiedades supersólidas en condensados dipolares de Bose-Einstein[13]​ formados a partir de átomos de lantánidos. En estos sistemas, la supersolidez surge directamente de las interacciones atómicas, sin necesidad de una celosía 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.[14]​[15]​

Teoría

La mayoría de las teorías que describen este estado, suponen que las vacantes (sitios vacíos normalmente ocupados por partículas en un cristal ideal) conducen a la supersolidez. Estas vacantes son causadas por la energía del punto cero, lo que también hace que se muevan de un sitio a otro en como ondas. Debido a que las vacantes son bosones, si tales nubes de vacantes pueden existir a temperaturas extremadamente bajas, entonces podría producirse una condensación de vacantes de Bose-Einstein a temperaturas a unas pocas décimas del kelvin. Un flujo coherente de vacantes equivale a un "superflujo" (flujo sin fricción) de partículas en la dirección opuesta. A pesar de la presencia de las vacantes de gas, la estructura ordenada de un cristal se mantiene, aunque con una partícula menos, en promedio, en cada espacio de la celosía. Alternativamente, un supersólido también puede surgir de un superfluido. En esta situación, que existe en los experimentos con condensados atómicos de Bose-Einstein, la estructura espacialmente ordenada es una modulación en la parte superior de la distribución de densidad de superfluidos.

Referencias

  1. Chester, G. V. (1970). «Speculations on Bose–Einstein Condensation and Quantum Crystals». Physical Review A 2 (1): 256-258. Bibcode:1970PhRvA...2..256C. doi:10.1103/PhysRevA.2.256. 
  2. Donner, Tobias (3 de abril de 2019). «Viewpoint: Dipolar Quantum Gases go Supersolid». Physics 12. doi:10.1103/Physics.12.38. 
  3. Balibar, Sebastien (March 2010). «The enigma of supersolidity». Nature 464 (7286): 176-182. Bibcode:2010Natur.464..176B. ISSN 1476-4687. PMID 20220834. doi:10.1038/nature08913. 
  4. Chalmers, Matthew (1 de mayo de 2007). «The quantum solid that defies expectation». Physics World. Consultado el 25 de febrero de 2009. 
  5. Kim, E.; Chan, M. H. W. (2004). «Probable Observation of a Supersolid Helium Phase». Nature 427 (6971): 225-227. Bibcode:2004Natur.427..225K. PMID 14724632. doi:10.1038/nature02220. 
  6. Leggett, A. J. (30 de noviembre de 1970). «Can a Solid Be "Superfluid"?». Physical Review Letters 25 (22): 1543-1546. Bibcode:1970PhRvL..25.1543L. doi:10.1103/PhysRevLett.25.1543. 
  7. Day, James; Beamish, John (December 2007). «Low-temperature shear modulus changes in solid 4 He and connection to supersolidity». Nature 450 (7171): 853-856. Bibcode:2007Natur.450..853D. ISSN 1476-4687. PMID 18064007. arXiv:0709.4666. doi:10.1038/nature06383. 
  8. Voss, David (8 de octubre de 2012). «Focus: Supersolid Discoverer's New Experiments Show No Supersolid». Physics 5: 111. Bibcode:2012PhyOJ...5..111V. doi:10.1103/physics.5.111. 
  9. Würsten, Felix (1 March 2017). «Crystalline and liquid at the same time». ETH Zurich. Consultado el 18 de enero de 2018. 
  10. Léonard, Julian; Morales, Andrea; Zupancic, Philip; Esslinger, Tilman; Donner, Tobias (1 March 2017). «Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry». Nature 543 (7643): 87-90. Bibcode:2017Natur.543...87L. PMID 28252072. arXiv:1609.09053. doi:10.1038/nature21067. 
  11. Keller, Julia C. (March 2, 2017). «MIT researchers create new form of matter». Consultado el 18 de enero de 2018. 
  12. Li, Jun-Ru; Lee, Jeongwon; Huang, Wujie; Burchesky, Sean; Shteynas, Boris; Top, Furkan Çağrı; Jamison, Alan O.; Ketterle, Wolfgang (1 March 2017). «A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates». Nature 543 (7643): 91-94. Bibcode:2017Natur.543...91L. PMID 28252062. arXiv:1610.08194. doi:10.1038/nature21431. 
  13. Donner, Tobias (April 3, 2019). «Viewpoint: Dipolar Quantum Gases go Supersolid». Consultado el 19 de abril de 2019. 
  14. Guo, Mingyang; Böttcher, Fabian; Hertkorn, Jens; Schmidt, Jan-Niklas; Wenzel, Matthias; Büchler, Hans Peter; Langen, Tim; Pfau, Tilman (October 2019). «The low-energy Goldstone mode in a trapped dipolar supersolid». Nature 574 (7778): 386-389. Bibcode:2019Natur.574..386G. ISSN 1476-4687. PMID 31499511. arXiv:1906.04633. doi:10.1038/s41586-019-1569-5. 
  15. Tanzi, L.; Roccuzzo, S. M.; Lucioni, E.; Famà, F.; Fioretti, A.; Gabbanini, C.; Modugno, G.; Recati, A. et al. (October 2019). «Supersolid symmetry breaking from compressional oscillations in a dipolar quantum gas». Nature 574 (7778): 382-385. Bibcode:2019Natur.574..382T. ISSN 1476-4687. PMID 31499510. arXiv:1906.02791. doi:10.1038/s41586-019-1568-6. 

 

Enlaces externos

  •   Datos: Q114739

Agosto 04, 2021
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En fisica de la materia condensada un supersolido es un material ordenado espacialmente con propiedades de un superfluido Desde los anos 60s se ha hipotetizado que el helio 4 puede crear un supersolido 1 En 2017 varios experimentos que utilizaron condensados de Bose Einstein proporcionaron una prueba definitiva de la existencia de este estado 2 Las condiciones generales necesarias para que surja el estado supersolido en una determinada sustancia son un tema de investigacion actualmente Indice 1 Antecedentes 2 Experimentos usando helio 3 Experimentos usando gases cuanticos ultra frios 4 Teoria 5 Referencias 6 Enlaces externosAntecedentes EditarEl estado supersolido es un estado cuantico especial de la materia donde las particulas forman una estructura rigida ordenada espacialmente pero tambien fluyen con viscosidad cero Esto contradice la intuicion 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 liquidos no convencionales como el helio 4 o helio 3 a temperaturas lo suficientemente bajas Por lo tanto durante mas de 50 anos no estuvo claro si el estado supersolido podia existir 3 Experimentos usando helio EditarSi bien varios experimentos arrojaron resultados negativos en los anos 80s John Goodkind descubrio la primera anomalia en un solido mediante el uso de ultrasonidos 4 Inspirados por su observacion en 2004 Eun Seong Kim y Moses Chan de la Universidad Estatal de Pensilvania vieron fenomenos que interpretaron como un comportamiento supersolido 5 Especificamente observaron un momento de inercia rotacional no clasico de un oscilador de torsion 6 Esta observacion no pudo ser explicada por los modelos clasicos pero fue consistente con el comportamiento de superfluido de un pequeno porcentaje de atomos de helio contenidos dentro del osciladorEsta observacion dio pie a una gran cantidad de estudios relacionados para revelar el papel que juegan los defectos de los cristales o las impurezas del helio 3 Sin embargo resultados de experimentos adicionales han puesto en duda la existencia de un verdadero supersolido en helio Aun mas importante se demostro que los fenomenos observados podian explicarse en gran medida debido a cambios en las propiedades elasticas del helio 7 En 2012 Chan repitio sus experimentos originales con un equipo nuevo que fue disenado para eliminar tales errores En este experimento Chan y sus coautores no encontraron evidencia de un supersolido 8 Experimentos usando gases cuanticos ultra frios EditarEn 2017 dos grupos de investigacion de ETH Zurich y del MIT informaron sobre la creacion de un gas cuantico ultra frio con propiedades supersolidas El grupo de Zurich coloco un condensado de Bose Einstein dentro de dos resonadores opticos que aumentaron las interacciones atomicas hasta que comenzaron a cristalizar espontaneamente y formar un solido que mantiene la superfluidez inherente de los condensados de Bose Einstein 9 10 Esta configuracion da cuenta de una forma especial de un supersolido el llamado supersolido de celosia donde los atomos se fijan a los sitios de una estructura de celosia 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 orbita espin La interferencia entre los atomos en los dos sitios de reticula acoplados en orbita de espin dio lugar a una modulacion de densidad caracteristica 11 12 En el 2019 tres grupos de Stuttgart Florencia e Innsbruck observaron propiedades supersolidas en condensados dipolares de Bose Einstein 13 formados a partir de atomos de lantanidos En estos sistemas la supersolidez surge directamente de las interacciones atomicas sin necesidad de una celosia optica externa Esto facilito tambien la observacion directa del flujo superfluido y por lo tanto la prueba definitiva de la existencia del estado supersolido de la materia 14 15 Teoria EditarLa mayoria de las teorias que describen este estado suponen que las vacantes sitios vacios normalmente ocupados por particulas en un cristal ideal conducen a la supersolidez Estas vacantes son causadas por la energia del punto cero lo que tambien hace que se muevan de un sitio a otro en como ondas Debido a que las vacantes son bosones si tales nubes de vacantes pueden existir a temperaturas extremadamente bajas entonces podria producirse una condensacion de vacantes de Bose Einstein a temperaturas a unas pocas decimas del kelvin Un flujo coherente de vacantes equivale a un superflujo flujo sin friccion de particulas en la direccion opuesta A pesar de la presencia de las vacantes de gas la estructura ordenada de un cristal se mantiene aunque con una particula menos en promedio en cada espacio de la celosia Alternativamente un supersolido tambien puede surgir de un superfluido En esta situacion que existe en los experimentos con condensados atomicos de Bose Einstein la estructura espacialmente ordenada es una modulacion en la parte superior de la distribucion de densidad de superfluidos Referencias Editar Chester G V 1970 Speculations on Bose Einstein Condensation and Quantum Crystals Physical Review A 2 1 256 258 Bibcode 1970PhRvA 2 256C doi 10 1103 PhysRevA 2 256 Donner Tobias 3 de abril de 2019 Viewpoint Dipolar Quantum Gases go Supersolid Physics 12 doi 10 1103 Physics 12 38 Balibar Sebastien March 2010 The enigma of supersolidity Nature 464 7286 176 182 Bibcode 2010Natur 464 176B ISSN 1476 4687 PMID 20220834 doi 10 1038 nature08913 Chalmers Matthew 1 de mayo de 2007 The quantum solid that defies expectation Physics World Consultado el 25 de febrero de 2009 Kim E Chan M H W 2004 Probable Observation of a Supersolid Helium Phase Nature 427 6971 225 227 Bibcode 2004Natur 427 225K PMID 14724632 doi 10 1038 nature02220 Leggett A J 30 de noviembre de 1970 Can a Solid Be Superfluid Physical Review Letters 25 22 1543 1546 Bibcode 1970PhRvL 25 1543L doi 10 1103 PhysRevLett 25 1543 Day James Beamish John December 2007 Low temperature shear modulus changes in solid 4 He and connection to supersolidity Nature 450 7171 853 856 Bibcode 2007Natur 450 853D ISSN 1476 4687 PMID 18064007 arXiv 0709 4666 doi 10 1038 nature06383 Voss David 8 de octubre de 2012 Focus Supersolid Discoverer s New Experiments Show No Supersolid Physics 5 111 Bibcode 2012PhyOJ 5 111V doi 10 1103 physics 5 111 Wursten Felix 1 March 2017 Crystalline and liquid at the same time ETH Zurich Consultado el 18 de enero de 2018 Leonard Julian Morales Andrea Zupancic Philip Esslinger Tilman Donner Tobias 1 March 2017 Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry Nature 543 7643 87 90 Bibcode 2017Natur 543 87L PMID 28252072 arXiv 1609 09053 doi 10 1038 nature21067 Keller Julia C March 2 2017 MIT researchers create new form of matter Consultado el 18 de enero de 2018 Li Jun Ru Lee Jeongwon Huang Wujie Burchesky Sean Shteynas Boris Top Furkan Cagri Jamison Alan O Ketterle Wolfgang 1 March 2017 A stripe phase with supersolid properties in spin orbit coupled Bose Einstein condensates Nature 543 7643 91 94 Bibcode 2017Natur 543 91L PMID 28252062 arXiv 1610 08194 doi 10 1038 nature21431 Donner Tobias April 3 2019 Viewpoint Dipolar Quantum Gases go Supersolid Consultado el 19 de abril de 2019 Guo Mingyang Bottcher Fabian Hertkorn Jens Schmidt Jan Niklas Wenzel Matthias Buchler Hans Peter Langen Tim Pfau Tilman October 2019 The low energy Goldstone mode in a trapped dipolar supersolid Nature 574 7778 386 389 Bibcode 2019Natur 574 386G ISSN 1476 4687 PMID 31499511 arXiv 1906 04633 doi 10 1038 s41586 019 1569 5 Tanzi L Roccuzzo S M Lucioni E Fama F Fioretti A Gabbanini C Modugno G Recati A et al October 2019 Supersolid symmetry breaking from compressional oscillations in a dipolar quantum gas Nature 574 7778 382 385 Bibcode 2019Natur 574 382T ISSN 1476 4687 PMID 31499510 arXiv 1906 02791 doi 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