La Universitat de les Illes Balears participa en un estudi internacional que mostra com l'escalfament no sempre fon un material sòlid.

El descobriment revela com l'augment de la temperatura d'un fluid quàntic ultrafred pot desencadenar la seva transició de fase a un estat sòlid. 

Al començament de la primavera, la neu i el gel comencen a fondre's a mesura que augmenten les temperatures. Això està en línia amb la nostra intuïció comuna que la calor converteix un sòlid en líquid i que eventualment vaporitza el fluid que s’ha format.

Un descobriment recent, publicat a la revista científica Nature Communications, ara inverteix aquesta noció i estableix que escalfar un fluid també pot provocar-ne la transformació en un estat sòlid de la matèria. El sistema considerat, no obstant això, no és el tipus ordinari de sòlid i, a diferència dels poals de gel en l'aigua, només es forma en condicions extremes on els efectes de la mecànica quàntica comencen a tenir un paper predominant.

Supersòlids

De fet, les lleis de la mecànica quàntica permeten l'aparició de formes de matèria bastant inusuals que desafien la simple categorització en sòlids, fluids i gasos. Un d'aquests estats exòtics és l'anomenat supersòlid. En un supersòlid, les partícules s'organitzen per congelar-se en un estat ordenat i, al mateix temps, poden fluir a través del sòlid format sense fricció. Aquesta contradicció aparent ha fascinat els investigadors durant moltes dècades, des de la primera conjectura de supersolidesa fa més de 50 anys.

No obstant això, els científics només han trobat maneres d'explorar aquestes preguntes en experiments reals fa poc temps. Això ha estat possible gràcies a una versió mecànica quàntica dels anomenats ferrofluids. Aquests ferrofluids consisteixen en partícules magnètiques diminutes suspeses en un fluid portador.

Inventats a la NASA a principis dels anys 60, aquests col·loides magnètics tenen nombroses propietats sorprenents que des de llavors han tingut aplicacions importants en electrònica, enginyeria mecànica i altres indústries. En un ferrofluid quàntic, les partícules magnètiques venen en forma d'àtoms individuals que porten un gran dipol magnètic. Al laboratori, aquests fluids quàntics dipolars són petites gotes que només contenen uns 10.000 àtoms, refredades per llum làser a temperatures sorprenentment baixes pròximes al zero absolut.

Condicions extremes com aquestes poden obligar a tots els àtoms a ocupar un sol estat quàntic i, per tant, formar el que s’anomena «condensat de Bose-Einstein». En el marc de la mecànica quàntica, aquest condensat pot considerar-se com un fluid quàntic compost per una sola ona gegant que pot propagar-se sense resistència: un superfluid amb viscositat zero. En un superfluid dipolar, la interacció magnètica entre els àtoms pot desencadenar l'aparició de patrons regulars en el condensat de Bose-Einstein. L'estat resultant correspon a un supersòlid i es va observar fa uns anys en una sèrie d'experiments innovadors.

El paper de la temperatura

Sobre la base d'aquestes troballes, una col·laboració entre investigadors de la Universitat d’Aarhus (Dinamarca), la Universitat Politècnica de Catalunya, la Universitat de les Illes Balears i la Universitat d’Innsbruck (Àustria) es va proposar de comprendre el paper que exerceix la temperatura en la fenomenologia dels supersòlids dipolars. Si bé la majoria dels mesuraments anteriors es varen fer a les temperatures més baixes possibles, l'experiment de la Universitat d’Innsbruck es va dissenyar per estudiar el comportament de fusió dels supersòlids amb una variació controlada de la temperatura.

La sorpresa de tothom va arribar quan les dades revelaren que l'augment de la temperatura també podria desencadenar la formació d'un supersòlid en lloc de la fusió anticipada en un superfluid. La teoria desenvolupada va oferir una explicació intuïtiva per a aquest comportament aparentment paradoxal. L'augment de la temperatura sol augmentar les fluctuacions en un sistema i accelera el moviment tèrmic de les partícules. Si aquest moviment aleatori es torna massa gran, un material es fon o un fluid es vaporitza.

Elevar la temperatura d'un condensat de Bose-Einstein també augmenta les fluctuacions i expulsa els àtoms del condensat, que continuen sent part del fluid quàntic. Sorprenentment, la interacció magnètica de fins i tot una petita fracció d'aquests àtoms expulsats pot tenir un efecte dramàtic en el condensat de Bose-Einstein i induir la formació de la fase supersòlida.

«La física dels fluids quàntics dipolars ja ha revelat moltes sorpreses, però no esperàvem en absolut que aquests fluids poguessin solidificar-se en escalfar-se», diu Thomas Pohl, qui va dirigir els esforços teòrics a la Universitat d’Aarhus. «Aclarir aquesta paradoxa ha estat un trencaclosques emocionant de resoldre i és un altre pas crucial cap a una millor comprensió d'aquests sistemes rics i fascinants», va agregar Fabian Maucher, del grup de recerca en Ones No Lineals de la Universitat de les Illes Balears.

De fet, les troballes dels autors podrien iniciar recerques més detallades sobre la termodinàmica dels superfluids dipolars, que ha romàs en gran part com a territori científic inexplorat fins ara. «Estudiar aquest efecte ha plantejat moltes més preguntes», explica el primer autor, Juan Sánchez Baena, «i esper que puguem utilitzar els nostres coneixements recents i resoldre alguns d'aquests misteris restants».

Referència bibliogràfica

 

Sánchez-Baena, J.; Politi, C.; Maucher, F.; Ferlaino, F. i Pohl, T. Heating a dipolar quàntum fluïu into a solid. Nature Communications, 14, 1868 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37207-3 

Data de l'esdeveniment: 26/04/2023

Data de publicació: 26/04/2023