Interrupción del orden cristalino para restaurar la superfluidez
Los físicos de la Universidad de Hamburgo (Alemania) han logrado utilizar pulsos láser para alterar el orden de la materia cuántica hasta tal punto que se ha logrado un estado especial, conocido como suprafluidez. Este trabajo fue publicado en el número actual de Physical Review Letters y abre posibilidades completamente nuevas para la generación de estados materiales con las propiedades deseadas, pero también para la superconductividad inducida por la luz.
Irradiando la materia cuántica con luz, que varía en su frecuencia, se suprime el orden cristalino y se forma un superfluido.
UHH/Mathey group
Cuando se pone agua en un congelador, las moléculas de agua cristalizan y forman hielo. Este cambio de una fase de la materia a otra se llama transición de fase. A veces uno quisiera influir en este proceso de una manera controlada, por ejemplo para producir helados granizados, una mezcla de una fase sólida y otra líquida.
En materia cuántica, las transiciones de fase son más complicadas. La materia cuántica son sustancias en las que predomina el comportamiento mecánico cuántico de los componentes, por ejemplo, el carácter ondulatorio del movimiento de los electrones. Los estados de agregación también son especiales: bajo ciertas influencias, se forma un llamado superfluido en el que se pierde toda la fricción interna y se presenta una alta conductividad térmica.
Hasta ahora, la formación de suprafluido no podía ser controlada externamente, pero un equipo de físicos dirigido por el Prof. Dr. Ludwig Mathey y el Prof. Dr. Andreas Hemmerich de la Universidad de Hamburgo (Alemania) ha logrado ahora alterar el orden cristalino. Mientras que en una máquina de helados granizados, las cuchillas giratorias aseguran que las moléculas de agua no cristalizan y forman un bloque de hielo sólido, el equipo utilizó la luz para evitar que los cristales en el sistema cuántico asumieran su orden típico.
Los investigadores introdujeron una nube de gas de átomos fríos entre dos espejos altamente reflectantes. Un rayo láser de bomba externa fue dirigido a la nube atómica, con la luz oscilando a cierta frecuencia para perturbar el orden cristalino de manera controlada. Los físicos utilizan el término "drive" para describir este tipo de cambio periódico.
Así como el agua puede cambiar su fase de líquido a hielo, este sistema de materia ligera muestra una transición de fase, una transición cuántica. Si la intensidad del rayo es lo suficientemente fuerte, los átomos desordenados de la fase gaseosa normalmente se organizan espontáneamente en un patrón de tablero de ajedrez cristalino. Esta autoorganización impide la formación de un superfluido, que es suprimido por el orden cristalino. Los investigadores demostraron que es posible inclinar la balanza a favor de la fase superflua con un pequeño "drive", es decir, una variación específica de la frecuencia.
"Observamos en nuestras simulaciones por ordenador que la modulación periódica de la intensidad de la bomba puede desestabilizar la fase auto-organizada dominante", explica el autor principal Jayson Cosme de Física Láser de la Universidad de Hamburgo (Alemania). "Esto permite que la fase homogénea, previamente inestable, se eleve de nuevo y se forme el suprafluido. Es superfluidez inducida por la luz." El coautor Andreas Hemmerich agrega: "Uno podría esperar que el sistema se caliente cuando lo agitamos. Fue fascinante observar una firma distintiva del suprafluido".
El principio de amplificación o supresión de una fase mediante el uso selectivo de la luz ya se ha aplicado en muchas áreas de la física, como los llamados superconductores. "Hemos propuesto este tipo de control de la superfluidez para demostrar el principio adoptado para la superconductividad inducida por la luz", explica Ludwig Mathey. Este hallazgo abre un nuevo capítulo en la física del estado sólido en el que los científicos no sólo pueden medir las propiedades de equilibrio de la materia, sino que también pueden generar un estado con las propiedades deseadas mediante el control de la luz.
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