El mundo al revés: el líquido cuántico se solidifica cuando se calienta

Una nueva investigación ha comprobado que en un nuevo estado de la materia llamado supersólido y caracterizado por la superfluidez, que se rige por los principios de la física cuántica, un líquido se solidifica cuando es sometido a calor. Al revés de lo que ocurre en nuestra vida cotidiana.

En nuestro mundo familiar, que sigue las reglas de la física clásica, calentar un material aumenta el movimiento térmico de los átomos. Esto generalmente provoca la fusión de un sólido y, finalmente, la evaporación del líquido.

Sin embargo, en el mundo cuántico ocurre todo lo contrario: un líquido cuántico se solidifica cuando se calienta. Es como si el calor lo convirtiera en un cubo de hielo.

De líquidos cuánticos tenemos noticias desde comienzos del siglo XX: son una tipo especial de fluido que sólo se produce a presiones muy altas o temperaturas muy bajas. El helio líquido es un ejemplo de líquido cuántico.

Superfluidez y supersólidos

Una las características del fluido cuántico es la superfluidez, un estado de la materia caracterizado por la total ausencia de viscosidad. Estos líquidos están presentes, por ejemplo, en el núcleo de las estrellas de neutrones.

La superfluidez no puede explicarse por la física clásica, pero sí por la física cuántica porque coquetea con ella constantemente: se forma cuando la materia puede ser sólida y fluida a la vez, una dualidad propia de las partículas elementales.

La superfluidez es una propiedad de los supersólidos, un área de investigación relativamente nueva y emocionante que está viviendo una especie de agitación por el extraño comportamiento de la materia en sus niveles cuánticos.

Fabricado en laboratorio

La existencia de los supersólidos se predijo teóricamente en la década de 1950. Pero solo en 2019 se produjo un acontecimiento destacado: por primera vez se consiguió la supersolidez en un laboratorio.

Lo consiguieron los científicos de Innsbruck y otros dos grupos formaron de forma independiente, confirmando así el estado mecánico-cuántico de la materia, algo que hasta entonces era mera especulación.

En ese estado mecánico-cuántico supersólido, los átomos magnéticos forman simultáneamente un cristal y un superfluido, es decir, un líquido que fluye sin resistencia.

Dualidad sólido-líquido

Sin embargo, a diferencia del hielo parcialmente derretido, en los supersólidos no hay una parte sólida y una parte líquida una al lado de la otra, sino que los dos estados (líquido y sólido) se superponen de forma mecánica cuántica. Los átomos son parte del cristal y del superfluido al mismo tiempo.

Este comportamiento inusual se observó por primera vez en 2021 en experimentos dirigidos por Francesca Ferlaino, del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria (ÖAW). Sin embargo, su explicación ha sio un misterio hasta ahora.

En un nuevo trabajo, el equipo de Innsbruck se ha asociado con teóricos dirigidos por Thomas Pohl de la Universidad de Aarhus en Dinamarca para investigar esos estados cuánticos en un gas de átomos de un elemento químico llamado disprosio.

Calor y solidez

Fue en este experimento cuando hicieron una observación inesperada: “el aumento de temperatura promueve la formación de estructuras supersólidas”, señala Claudia Politi del equipo de Ferlainos, en un comunicado.

A continuación, los científicos desarrollaron y publicaron en Nature Communications un modelo teórico que puede explicar los resultados experimentales y subraya que calentar el líquido cuántico puede conducir a la formación de un cristal cuántico.

El modelo teórico muestra que, a medida que aumenta la temperatura, estos cristales cuánticos pueden formarse más fácilmente.

La explicación de cómo es posible que el calor solidifique un líquido es la siguiente: en estado supersólido, los átomos entran en una forma de interacción (llamada dipolo-dipolo) que provoca el sorprendente efecto.

Esta investigación es un paso importante hacia una mejor comprensión de los estados supersólidos de la materia, destacan los investigadores.

Naturaleza compleja

Muy lejos quedan aquellos conocimientos que reducían los estados de la materia a sólido, líquido y gaseoso.

Luego llegaron el plasma (un estado fluido similar al estado gaseoso) y el condensado de Bose-Einstein, en el que los átomos se convierten en una entidad única con propiedades cuánticas.

A continuación llegaron los supersólidos y la superfluidez mostrando comportamientos mecánico-cuánticos todavía más extraños. La Naturaleza se revela cada vez más 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, sentencia al respecto el profesor Alberto Requena Rodríguez.