La temperatura pot “congelar” els fluids al món quàntic

A l'inici de la primavera, la neu i el gel es fonen a mesura que augmenta la temperatura. Això es consistent amb la nostra intuïció, amb què entenem que l'escalfament d'un sòlid el transforma en un líquid i, eventualment, el vaporitza si la temperatura segueix augmentant. Un descobriment recent  publicat a la prestigiosa revista Nature Communications, dóna un gir complert a aquesta noció i estableix que l'escalfament d'un fluid també pot causar la seva transformació en un estat sòlid de la matèria. No obstant, el sistema considerat no és el típic sòlid que estem acostumats a concebre i, a diferència, per exemple, de cubs de gel a l'aigua, només es forma sota condicions extremes, on els efectes de la mecànica quàntica comencen a prendre un rol determinant. De fet, les lleis de la mecànica quàntica permeten l'emergència d'estats de la matèria inusuals, que desafien la simple categorització en sòlids, líquids o gasos. Un d'aquests estats exòtics és l'anomenat supersòlid. A un supersòlid, les partícules s'agrupen per "congelar-se" a un estat ordenat i, a la mateixa vegada, poden moure's per l'estructura formada sense cap tipus de fricció. Aquesta aparent contradicció ha fascinat els investigadors durant vàries dècades, des de la primera conjectura sobre la supersolidesa, ja fa més de 50 anys.

No obstant, ha estat només recentment que els científics han trobat maneres d'explorar aquestes qüestions a experiments. Això ha estat possible per mitjà de la versió quàntica dels anomenats ferrofluids. Aquests consisteixen en partícules magnètiques microscòpiques en suspensió a un fluid.

Inventats a la NASA als anys 60, aquests col·loids magnètics mostren nombroses propietats sorprenents que han tingut aplicació a l'electrònica, l'enginyeria mecànica i a altres indústries. A un ferrofluid quàntic, les partícules magnètiques es corresponen a àtoms individuals amb un gran moment dipolar magnètic. Al laboratori, aquests fluids dipolars quàntics s'agrupen en forma de gotes microscòpiques que només contenen al voltant de 10.000 àtoms, i que són refredades per mitjà de tècniques de llum làser fins a temperatures increïblement baixes, properes al zero absolut. Condicions extremes com aquestes forcen tots els àtoms a ocupar un únic estat quàntic per formar l'anomenat condensat de Bose-Einstein. Aquest estat pot ser entès com un fluid que pot propagar-se sense resistència - un superfluid amb viscositat zero. A un superfluid dipolar, la interacció magnètica entre els àtoms pot generar la formació d'estructures regulars dins del condensat donant lloc a un supersòlid, un exòtic estat de la matèria que va ser observat fa uns anys a una sèrie d'experiments innovadors.

A partir d'aquests descobriments, una col·laboració entre investigadors de la Universitat d'Aarhus, la Universitat Politècnica de Catalunya, la Universitat de les Illes Balears i la Universitat d'Innsbruck es va proposar entendre el rol que la temperatura juga a la fenomenologia dels supersòlids dipolars. Mentre la majoria de mesures experimentals anteriors havien estat dutes a terme a les temperatures més baixes assolibles, l'experiment a la Universitat d'Innsbruck ha estat dissenyat per estudiar el comportament de fusió del supersòlid sota una variació controlada de la temperatura. Sorprenentment, les mesures van revelar que incrementar la temperatura podia generar la formació del supersòlid en comptes del comportament de fusió anticipat. La teoria desenvolupada per l'investigador postdoctoral UPC Juan Sánchez Baena, en conjunt amb els Professors Thomas Pohl i Fabian Maucher, va oferir una explicació intiuitiva per a aquest comportament aparentment paradòxic. L'augment de temperatura usualment incrementa les fluctuacions a un sistema i accelera el moviment tèrmic de les partícules. Si aquest moviment s'accelera massa, un sòlid es fon, i un fluid es vaporitza. Incrementar la temperatura a un condensat de Bose-Einstein també incrementa les seves fluctuacions i expulsa àtoms fora del condensat, que encara formen part del fluid quàntic.

D'aquesta manera, els descobriments dels autors poden donar lloc a la iniciació d'investigacions més detallades sobre la termodinàmica dels superfluïds dipolars, que constitueix un territori majorment inexplorat fins ara.