Nuevas observaciones de vórtices microscópicos confirman la existencia de una fase paradójica de la materia que también puede surgir en el interior de las estrellas de neutrones.

Un artículo de Zack Savitsky. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

Cuando se hace girar un supersólido, se forman vórtices de forma espontánea. Vídeo: Ibrahim Rayintakath y Rui Braz para Quanta Magazine

En un laboratorio situado entre los picos escarpados de los Alpes austríacos, los metales de tierras raras se vaporizan y salen de un horno a la velocidad de un avión de combate. Luego, una combinación de láseres y pulsos magnéticos frena el gas hasta casi detenerlo, volviéndolo más frío que las profundidades del espacio. Los aproximadamente 50.000 átomos del gas pierden todo sentido de identidad y se fusionan en un solo estado. Finalmente, con un giro del campo magnético ambiental, pequeños tornados cobran vida y dan vueltas en la oscuridad.

Durante tres años, la física Francesca Ferlaino y su equipo de la Universidad de Innsbruck han trabajado para obtener imágenes de estos vórtices a escala cuántica en acción. “Mucha gente me dijo que esto sería imposible”, contaba Ferlaino durante una visita a su laboratorio este verano. “Pero estaba convencida de que lo lograríamos”.

Ahora, en un artículo publicado en Nature, han publicado instantáneas de los vórtices, confirmando la señal largamente buscada de una fase exótica de la materia conocida como supersólido.

El supersólido, una fase paradójica de la materia que es al mismo tiempo el más rígido de los sólidos y el más fluido de los fluidos, ha fascinado a los físicos de la materia condensada desde su predicción en 1957. Los indicios de esta fase habían ido aumentando, pero el nuevo experimento asegura la última pieza importante de la evidencia de su existencia. Los autores creen que los vórtices que se forman en los supersólidos pueden ayudar a explicar las propiedades en una variedad de sistemas, desde superconductores de alta temperatura hasta cuerpos astronómicos.

Los vórtices podrían mostrar cómo se comporta la materia en algunas de las condiciones más extremas del universo. Se sospecha que los púlsares, que son estrellas de neutrones giratorias (los cadáveres extraordinariamente densos de estrellas quemadas) tienen interiores supersólidos. “En realidad, este es un sistema análogo muy bueno” para las estrellas de neutrones, explica Vanessa Graber, física de Royal Holloway, Universidad de Londres en el Reino Unido, que se especializa en estas estrellas. “Estoy muy emocionada con esto”.

Rígido y fluido

Imagina que haces girar un cubo lleno de distintos tipos de materia. Un sólido girará junto con el recipiente debido a la fricción entre el cubo y la red rígida de átomos del material. Un líquido, por otro lado, tiene menos fricción interna, por lo que formará un gran vórtice en el centro del cubo. (Los átomos externos giran con el cubo mientras que los internos se van quedando atrás).

Si se enfrían y dispersan lo suficiente ciertos líquidos, sus átomos comienzan a interactuar a lo largo de distancias mayores y terminan uniéndose en una ola gigante que fluye perfectamente sin fricción alguna. Estos llamados superfluidos fueron descubiertos por primera vez en el helio en 1937 por físicos rusos y canadienses.

Intenta hacer girar un cubo lleno de superfluido y este permanecerá en reposo incluso mientras el cubo gira a su alrededor. El superfluido sigue rozando el cubo, pero el material es totalmente impermeable a la fricción hasta que el recipiente alcanza una determinada velocidad de rotación. En este punto, al resistir el impulso de girar, el superfluido genera de repente un único vórtice cuántico: un remolino de átomos que rodea una columna de nada que se extiende hasta el fondo del cubo. Continúa acelerando el recipiente y más de estos tornados perfectos se deslizarán desde el borde.

Veinte años después de que se descubrieran los superfluidos, el físico estadounidense Eugene Gross sugirió que el mismo colectivismo cuántico podría surgir en los sólidos. Los físicos debatieron durante décadas si este extraño híbrido de superfluido y sólido podría existir. Finalmente, surgió una imagen teórica del supersólido. Al ajustar el campo magnético alrededor de un superfluido se puede reducir la repulsión entre los átomos de tal manera que comiencen a agruparse. Todos esos grumos se alinearán con el campo magnético pero se repelerán entre sí, autoorganizándose en un patrón cristalino mientras conservan su extraño comportamiento sin fricción.

Si se coloca un supersólido en un recipiente giratorio, los átomos se desplazarán en sincronía, de modo que la red de grumos parecerá girar con el recipiente, como un sólido. Pero, al igual que un superfluido, al girar lo suficientemente rápido, el material se romperá en vórtices, que quedarán atrapados entre los grumos de átomos. El supersólido será rígido y fluido a la vez.

La predicción de Gross dio inicio a una larga búsqueda de los supersólidos en el laboratorio.

Los investigadores anunciaron por primera vez un descubrimiento en 2004, pero luego se retractaron de su afirmación. En 2017 y 2019 se produjeron nuevos estallidos de actividad, cuando grupos de Stuttgart, Florencia e Innsbruck encontraron señales prometedoras de supersolidez en sistemas unidimensionales. Los grupos comenzaron con gases de átomos de disprosio y erbio, que son lo suficientemente magnéticos como para actuar como pequeños imanes de barra. La aplicación de un campo magnético hizo que los átomos se agruparan de forma natural en grupos espaciados regularmente, formando una red cristalina. Luego, cuando los investigadores redujeron la temperatura y la densidad, las interacciones entre los átomos hicieron que oscilaran de forma natural como una onda coherente, con todas las características de un superfluido.

Los experimentos de 2019 vislumbraron las “dos naturalezas en competencia” del supersólido, explica Elena Poli, una estudiante de posgrado del equipo de Innsbruck. Desde entonces, el grupo ha expandido su supuesto supersólido de una dimensión a dos y lo ha investigado para detectar las diferentes propiedades predichas.

Pero “lo que faltaba era básicamente la evidencia irrefutable” de los supersólidos, dice Jens Hertkorn, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts y ex miembro del equipo de Stuttgart. El sello distintivo de la superfluidez es la serie de vórtices que se generan durante la rotación. A pesar de años de intentos, “nadie había logrado hacer girar un supersólido con éxito antes”, cuenta Hertkorn.

Girando un supersólido

Para observar cómo responde su supersólido a la rotación, el equipo de Innsbruck utilizó un campo magnético como una cuchara para retirar los campos magnéticos internos de los átomos unas 50 veces por segundo. Eso es lo suficientemente rápido como para desencadenar vórtices, pero lo suficientemente suave como para preservar la fase cuántica. «Es un estado muy, muy delicado: cualquier pequeño cambio lo destruiría», explica Ferlaino.

Detectar esos pequeños ciclones fue un desafío mayor. El grupo pasó tres años persiguiendo tormentas cuánticas. Finalmente, ejecutaron una propuesta de 2022 de Alessio Recati, un físico de la Universidad de Trento. Sugería formar vórtices en la fase supersólida y luego fundir el material nuevamente en un superfluido para obtener imágenes de los vórtices con mayor contraste.

Un viernes por la noche, a principios del año pasado, tres estudiantes de posgrado irrumpieron en un pub oscuro cerca del campus de Innsbruck con un ordenador portátil en la mano. Buscaban a dos de los posdoctorados del equipo, quienes verificaron que habían capturado un tornado en su gas cuántico. “Fue excepcionalmente emocionante”, narra Thomas Bland, uno de los posdoctorados. Los estudiantes de posgrado regresaron al laboratorio, y Bland y su colega se quedaron para una ronda de celebración.

“Todos creemos que se trata de un vórtice cuántico”, dice Recati, que no participó en el experimento. Está esperando que los investigadores midan la velocidad de rotación de los tornados para corroborar plenamente las predicciones teóricas, pero las imágenes por sí solas son una validación satisfactoria, afirma. “Esto es muy relevante para toda la comunidad física”.

Hertkorn quiere que otros grupos repitan los resultados y que se haga un seguimiento de cómo cambian las señales en diferentes condiciones experimentales. Aun así, elogia al equipo de Innsbruck por su persistencia a la hora de realizar una medición tan difícil. “Es realmente impresionante, desde el punto de vista experimental, que esto sea observable”, concluye.

Conexiones cósmicas

El pasado mes de mayo, Ezequiel Zubieta estaba almorzando un estofado ​​en un pequeño pueblo de las afueras de Buenos Aires cuando vio cómo una estrella muerta convulsionaba en la pantalla de su portátil. Zubieta, estudiante de posgrado en astronomía de la Universidad Nacional de La Plata, había estado siguiendo la rotación impresionantemente estable del púlsar Vela, el remanente magnetizado de una estrella masiva que explotó hace aproximadamente 11.000 años.

Mientras gira, Vela emite rayos de radiación desde sus polos que destellan en la Tierra 11 veces por segundo, con una regularidad que rivaliza con los mejores relojes que los humanos pueden construir. Pero ese día, la estrella giró 2,4 mil millonésimas de segundo más rápido de lo habitual.

Una película del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA muestra un chorro de partículas que sale disparado del púlsar Vela, una estrella de neutrones situada a unos 1.000 años luz de la Tierra que gira 11 veces por segundo. Se cree que las formas en forma de arco son ondas expansivas de materia que se aleja de la estrella. Vídeo: NASA/CXC/Universidad de Toronto/M. Durant et al

Durante décadas, los astrónomos se han preguntado qué podría provocar que estos objetos masivos aceleren repentinamente su rotación. Muchos esperan que estos fallos técnicos en los púlsares puedan ayudarlos a descifrar el funcionamiento interno de estos peculiares faros cósmicos.

Los científicos saben que los cadáveres estelares están densamente poblados de neutrones (una cucharadita de material de una estrella de neutrones pesaría tanto como el Monte Everest). Nadie está seguro de qué les sucede a los neutrones en esas condiciones, pero los astrónomos sospechan que, en una capa debajo de la corteza sólida exterior de la estrella, los neutrones presurizados forman grumos que adoptan formas inusuales, a las que a menudo se refieren como “pasta nuclear”. Los modelos principales presentan fases que se parecen a ñoquis, espaguetis y lasaña.

En una conferencia celebrada en 2022, Ferlaino escuchó a unos astrónomos hablar sobre las supuestas cualidades de la pasta nuclear. Muchos creen que los grumos de neutrones, parecidos a la pasta, se fusionarían para formar un superfluido, pero no está claro cómo ese material podría dar lugar a los fallos técnicos. Ferlaino sospechó que estos podrían ser una señal de los supersólidos que había estado preparando en su propio laboratorio, por lo que decidió investigar.

El año pasado, su equipo utilizó una simulación por ordenador de su supersólido para modelar lo que sucedería si existiera un material similar dentro de una estrella de neutrones giratoria. Descubrieron que, después de formarse los vórtices, uno de ellos puede desprenderse y chocar con su vecino, lo que desencadena un tornado y una avalancha que transfiere su energía al contenedor. Según propusieron, una cantidad suficiente de estas colisiones de tornados podría acelerar brevemente la rotación de la estrella de neutrones, lo que daría lugar a un fallo técnico.

Graber, que había publicado una revisión de análogos de laboratorio para estrellas de neutrones varios años antes, se emocionó al encontrar el artículo. “Dios mío, hay algo más por ahí que puedo usar”, recordó que pensó sobre las diversas propiedades de los supersólidos rotatorios descritos en el artículo. “Solo leyendo el texto, pensé: ‘Esto es lo que tengo, y esto es lo que tengo, y esto es lo que tengo’”.

Ahora que el grupo de Ferlaino ha identificado vórtices en su supersólido, planean investigar cómo se forman, migran y se disipan los tornados. También quieren replicar el supuesto mecanismo de los fallos técnicos de los púlsares, para demostrar cómo una avalancha de vórtices podría provocar que un supersólido del mundo real acelere su giro. Los físicos también esperan utilizar estos estudios para descifrar otras fases exóticas de la materia en las que se espera que los vórtices desempeñen un papel clave, como en los superconductores de alta temperatura.

Mientras tanto, astrónomos como Graber y Zubieta esperan que este trabajo permita desarrollar una nueva herramienta de diagnóstico para los púlsares. Con una mejor comprensión de la dinámica de los vórtices, podrían utilizar las observaciones de los fallos técnicos de los púlsares para inferir la composición y el comportamiento de la pasta nuclear.

“Si podemos entender cómo funciona esa física a pequeña escala, eso es realmente valioso para nosotros”, dice Graber. “No puedo usar un telescopio y mirar dentro de la corteza de una estrella de neutrones, pero ellos básicamente tienen esa información”.

Ferlaino, cuyo grupo está buscando otros sistemas que puedan presentar supersolidez, ve las aplicaciones como un reflejo de la conectividad fundamental de la naturaleza. “La física es universal”, afirma, y “estamos aprendiendo las reglas del juego”.

El artículo original, Physicists Spot Quantum Tornadoes Twirling in a ‘Supersolid’, se publicó el 6 de noviembre de 2024 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López