Vés al contingut

Supersòlid

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure

Un supersòlid és un material ordenat en l'espai; és a dir, que és un sòlid o cristall amb propietats de superfluid.[1] Quan fluids específics, com l'heli, són refredats per sota una temperatura característica, sofreixen una transició de superfluïdesa i es converteixen en un fluid amb una viscositat zero, és a dir, que pot fluir sense fricció. Aquesta transició es creu que està associada a la condensació Bose-Einstein.

En el cas de l'heli (més concretament, de l'heli-4), s'ha conjecturat des de 1969[2] que seria possible crear un supersòlid. Uns quants experiments que busquen aquest estat han fracassat. Tanmateix, el 2004, els físics Moses Chan i Eun-Seong Kim, de la Universitat de Pennsylvania, observaren un fenomen que s'interpretava com un comportament de supersòlid.[3] La confirmació de l'existència del nou estat quàntic de la matèria arribaria el 2019, quan un equip de recerca del 5. Physikalisches Institut de la Universitat de Stuttgart, liderat per Tilman Pfau i Tim Langen, va demostrar-ho experimentalment[1][4]

Física de la matèria condensada

[modifica]
Fase de la matèria · Transició de fase · Punt crític quàntic

Estat de la matèria

Rerefons

[modifica]

Un supersòlid és un estat especial de la matèria quàntica on les partícules formen una estructura rígida i ordenada espacialment, però també flueixen amb viscositat zero. Això està en contradicció amb la intuïció que el flux, i en particular el flux superfluid amb viscositat zero, és una propietat exclusiva de l'estat fluid, com ara fluids d'electrons superconductors i neutrònics, gasos amb condensats de Bose-Einstein, o líquids no convencionals com l'heli-4 o l'heli-3 a temperatura prou baixa. Per tant, durant més de cinquanta anys ha estat poc clar si l'estat supersòlid pot existir.[5][6][7]

Supervidre

[modifica]

Un supervidre és una fase hipotètica similar de la matèria que es caracteritza per la superfluïdesa i una estructura amorfa congelada al mateix temps.[8] Aquesta idea va ser proposada per Anthony James Leggett el 1970.[4][5] El 2009, J.C. Séamus Davis va teoritzar que l'heli-4 congelat (a 0.2 K i 50 atm) pot ser un supervidre.[8]

Experiments amb Heli

[modifica]

Mentre que diversos experiments van donar resultats negatius, en la dècada de 1980, John Goodkind va descobrir la primera anomalia en un sòlid mitjançant l'ús d'ultrasons.[9] Inspirats per la seva observació, el 2004 Eun-*Seong Kim i Moses Chan a la Universitat Estatal de Pennsilvània van veure fenòmens que van ser interpretats com a comportament supersòlid.[10] Concretament, van observar un moment rotacional senar-clàssic d'inèrcia[11] d'un oscil·lador torsional. Aquesta observació no es podia explicar per models clàssics, però era consistent amb un comportament superfluid-* semblant a un petit percentatge dels àtoms d'heli continguts dins de l'oscil·lador.Aquesta observació va desencadenar un gran nombre d'estudis de seguiment per revelar el paper que juguen els defectes cristal·lins o les impureses d'heli-3. Més experimentació ha posat en dubte l'existència d'un veritable supersòlid en l'heli. El més important, es va demostrar que els fenòmens observats es podien explicar en gran manera a causa dels canvis en les propietats elàstiques de l'heli.[12] El 2012, Chan va repetir els seus experiments originals amb un nou aparell dissenyat per eliminar aquestes contribucions. En aquest experiment, Chan i els seus coautors no van trobar proves de supersolidesa.[13]

Experiments utilitzant gasos quàntics ultrafreds

[modifica]

El 2017, dos grups de recerca de l'ETH Zurich i del MIT van informar sobre la creació d'un gas quàntic ultrafred amb propietats supersòlides. El grup de Zuric va col·locar un condensat de Bose-Einstein dins de dos ressonadors òptics, que van millorar les interaccions atòmiques fins que van començar a cristal·litzar espontàniament i formar un sòlid que manté la superfluïdesa inherent dels condensats de Bose-Einstein.[14][15] Aquest conjunt s'adona d'una forma especial d'un supersòlid, l'anomenat supersòlid de xarxa, on els àtoms estan fixats als llocs d'una estructura de xarxa imposada externament. El grup del MIT va exposar un condensat de Bose-Einstein en un potencial de doble pou per a feixos de llum que va crear un acoblament d'espín-òrbita eficaç. La interferència entre els àtoms en els dos llocs de la xarxa acoblada d'espín-òrbita va donar lloc a una modulació de densitat característica.[16][17]

El 2019, tres grups de Stuttgart, Florència i Innsbruck van observar propietats supersòlides en condensats dipolars de Bose-Einstein[18] formats a partir d'àtoms de lantànids. En aquests sistemes, la supersoliditat emergeix directament de les interaccions atòmiques, sense necessitat d'una xarxa òptica externa. Això va facilitar també l'observació directa del flux superfluid i, per tant, la prova definitiva de l'existència de l'estat supersòlid de la matèria.[19][20]

El 2021, es va utilitzar l'electrodinàmica quàntica de cavitat confocal amb un condensat de Bose-Einstein per crear un supersòlid que posseeix una propietat clau dels sòlids, la vibració. És a dir, es va crear un supersòlid que posseeix fonons de gelosia amb una dispersió en mode Goldstone que exhibeix una velocitat de so de 16 cm/s.[21]

El 2021, el disprosi es va utilitzar per crear un gas quàntic supersòlid de dues dimensions,[22] el 2022, el mateix equip va crear un disc supersòlid en una trampa rodona[23] i el 2024 van informar de l'observació de vòrtexs quàntics en la fase supersòlid.[24][25]

Experiments amb llum sòlida

[modifica]

Mentre que diversos experiments amb gasos ultrafreds van establir els fonaments de l'estudi dels supersòlids, en el 2025 investigadors italians del Consell Nacional de Recerca (CNR) van aconseguir una fita sense precedents en la transformació de la llum mateixa en supersòlid. Inspirats pel treball previ de Daniele Sanvitto, qui més d'una dècada enrere havia demostrat que la llum podia comportar-se com un fluid, Dimitrios Trypogeorgos i els seus col·laboradors van desenvolupar una metodologia completament nova que transposava els mecanismes teòrics de la supersolidesa de l'àmbit dels àtoms ultrafreds al dels sistemes fotònics. En el seu experiment, els investigadors van utilitzar un semiconductor d'arseniur de gal·li-alumini (GaAlAs) estructurat amb minúscules caretes nanoscòpiques sobre el qual van dirigir un feix de làser. Les complexes interaccions entre els fotons del làser i les excitacions del semiconductor van generar quasipartícules híbrides anomenades polaritons, que pel patró de les caretes van quedar confinades espacialment. Els investigadors van mesurar amb gran precisió la densitat de l'estat polaritònic, demostrant un trencament precís de simetria, i van obtenir accés directe a la fase de la funció d'ona, la qual cosa els va permetre mesurar la coherència local del supersòlid amb extremada exactitud. Els resultats van mostrar que els polaritons presentaven simultàniament ordre cristal·lí (estructura de sòlid) i fluïdesa sense viscositat (comportament superfluid), confirmant per primera vegada la creació d'un supersòlid basat en llum. Aquesta observació representava un mecanisme completament nou per a la creació de supersòlids, particularment en el context de sistemes polaritònics fora d'equilibri i sotmesos a excitació externa, diferent dels mecanismes demostrats fins aleshores en sistemes atòmics ultrafreds. El descobriment, publicat a la revista Nature el 2025, va obrir noves perspectives per a la investigació de la física de la supersolidesa en sistemes de matèria condensada, amb potencials aplicacions en computació quàntica, sensors de precisió, i dispositius fotònics avançats.

Teoria

[modifica]

En la majoria de les teories d'aquest estat, se suposa que les vacants - llocs buits normalment ocupats per partícules en un cristall ideal - condueixen a la supersoliditat. Aquestes vacants són causades per l'energia de punt zero, que també fa que es moguin d'un lloc a un altre com ones. Com que les vacants són bosons, si aquests núvols de vacants poden existir a temperatures molt baixes, llavors una condensació Bose-Einstein de vacants podria ocórrer a temperatures inferiors a unes poques dècimes d'un Kelvin. Un flux coherent de vacants és equivalent a un "superflux" (flux sense fricció) de partícules en la direcció oposada. Malgrat la presència del gas de les vacants, es manté l'estructura ordenada d'un cristall, encara que amb menys d'una partícula en cada lloc de xarxa de mitjana. Alternativament, un supersòlid també pot sorgir d'un superfluid. En aquesta situació, que es realitza en els experiments amb condensats atòmics de Bose-Einstein, l'estructura ordenada espacialment és una modulació a la part superior de la distribució de densitat de superfluids.

Vegeu també

[modifica]

Referències

[modifica]
  1. 1 2 «Physicists from Stuttgart prove the existence of a supersolid state of matter» (PDF) (en anglès). University of Stuttgart, University Communications, 09-09-2019. [Consulta: 9 maig 2021].
  2. ↑ Collins, Graham P. «A Glimpse of Supersolid» (en anglès). Scientific American, 17-01-2005 [Consulta: 9 maig 2021].
  3. ↑ Minkel, JR «Strange but True: Superfluid Helium Can Climb Walls» (en anglès). Scientific American., 20-09-2009 [Consulta: 9 maig 2021].
  4. ↑ «Erstmals zweifelsfrei einen Suprafestkörper nachgewiesen» (en alemany). Chemie.de, 11-09-2019. [Consulta: 2 maig 2021].
  5. ↑ Balibar, Sebastien «The enigma of supersolidity» (en anglès). Nature, 464, 7286, 3-2010, p. 176–182. DOI: 10.1038/nature08913. ISSN: 0028-0836.
  6. ↑ Suber, Peter. «Cornell press release on OA resolution», 19-05-2005. [Consulta: 27 novembre 2025].
  7. ↑ Yu, Xiaoquan; Müller, Markus «Mean field theory of superglasses» (en anglès). Physical Review B, 85, 10, 19-03-2012. DOI: 10.1103/PhysRevB.85.104205. ISSN: 1098-0121.
  8. 1 2 Biroli, Giulio; Chamon, Claudio; Zamponi, Francesco «Theory of the superglass phase» (en anglès). Physical Review B, 78, 22, 08-12-2008. DOI: 10.1103/PhysRevB.78.224306. ISSN: 1098-0121.
  9. ↑ Chalmers, Matthew «The quantum solid that defies explanation». Physics World, 20, 5, 5-2007, p. 22–26. DOI: 10.1088/2058-7058/20/5/32. ISSN: 0953-8585.
  10. ↑ Kim, E.; Chan, M. H. W. «Probable observation of a supersolid helium phase» (en anglès). Nature, 427, 6971, 1-2004, p. 225–227. DOI: 10.1038/nature02220. ISSN: 0028-0836.
  11. ↑ Leggett, A. J. «Can a Solid Be "Superfluid"?» (en anglès). Physical Review Letters, 25, 22, 30-11-1970, p. 1543–1546. DOI: 10.1103/PhysRevLett.25.1543. ISSN: 0031-9007.
  12. ↑ Day, James; Beamish, John «Low-temperature shear modulus changes in solid 4He and connection to supersolidity» (en anglès). Nature, 450, 7171, 12-2007, p. 853–856. DOI: 10.1038/nature06383. ISSN: 0028-0836.
  13. ↑ Voss, David «Supersolid Discoverer’s New Experiments Show No Supersolid» (en anglès). Physics, 5, 08-10-2012. DOI: 10.1103/Physics.5.111. ISSN: 1943-2879.
  14. ↑ Chester, G. V. «Speculations on Bose-Einstein Condensation and Quantum Crystals» (en anglès). Physical Review A, 2, 1, 01-07-1970, p. 256–258. DOI: 10.1103/PhysRevA.2.256. ISSN: 0556-2791.
  15. ↑ Donner, Tobias «Dipolar Quantum Gases go Supersolid» (en anglès). Physics, 12, 03-04-2019. DOI: 10.1103/Physics.12.38. ISSN: 1943-2879.
  16. ↑ Donner, Tobias «Dipolar Quantum Gases go Supersolid» (en anglès). Physics, 12, 03-04-2019. DOI: 10.1103/Physics.12.38. ISSN: 1943-2879.
  17. ↑ Li, Jun-Ru; Lee, Jeongwon; Huang, Wujie; Burchesky, Sean; Shteynas, Boris «A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates» (en anglès). Nature, 543, 7643, 02-03-2017, p. 91–94. DOI: 10.1038/nature21431. ISSN: 0028-0836.
  18. ↑ Li, Jun-Ru; Lee, Jeongwon; Huang, Wujie; Burchesky, Sean; Shteynas, Boris «A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates» (en anglès). Nature, 543, 7643, 02-03-2017, p. 91–94. DOI: 10.1038/nature21431. ISSN: 0028-0836.
  19. ↑ Guo, Mingyang; Böttcher, Fabian; Hertkorn, Jens; Schmidt, Jan-Niklas; Wenzel, Matthias «The low-energy Goldstone mode in a trapped dipolar supersolid» (en anglès). Nature, 574, 7778, 17-10-2019, p. 386–389. DOI: 10.1038/s41586-019-1569-5. ISSN: 0028-0836.
  20. ↑ Tanzi, L.; Roccuzzo, S. M.; Lucioni, E.; Famà, F.; Fioretti, A. «Supersolid symmetry breaking from compressional oscillations in a dipolar quantum gas» (en anglès). Nature, 574, 7778, 17-10-2019, p. 382–385. DOI: 10.1038/s41586-019-1568-6. ISSN: 0028-0836.
  21. ↑ Guo, Yudan; Kroeze, Ronen M.; Marsh, Brendan P.; Gopalakrishnan, Sarang; Keeling, Jonathan «An optical lattice with sound» (en anglès). Nature, 599, 7884, 11-11-2021, p. 211–215. DOI: 10.1038/s41586-021-03945-x. ISSN: 0028-0836.
  22. ↑ Norcia, Matthew A.; Politi, Claudia; Klaus, Lauritz; Poli, Elena; Sohmen, Maximilian «Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas» (en anglès). Nature, 596, 7872, 19-08-2021, p. 357–361. DOI: 10.1038/s41586-021-03725-7. ISSN: 0028-0836.
  23. ↑ Bland, T.; Poli, E.; Politi, C.; Klaus, L.; Norcia, M. A. «Two-Dimensional Supersolid Formation in Dipolar Condensates» (en anglès). Physical Review Letters, 128, 19, 13-05-2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.195302. ISSN: 0031-9007.
  24. ↑ Casotti, Eva; Poli, Elena; Klaus, Lauritz; Litvinov, Andrea; Ulm, Clemens «Observation of vortices in a dipolar supersolid» (en anglès). Nature, 635, 8038, 14-11-2024, p. 327–331. DOI: 10.1038/s41586-024-08149-7. ISSN: 0028-0836.
  25. ↑ Ahmed, Aarouj «Tunneling Probability of Quantum Wavepacket in Time-Dependent Potential Well». Quanta, 13, 03-05-2024, p. 11–19. DOI: 10.12743/quanta.v13i1.246. ISSN: 1314-7374.

Webografia

[modifica]

Vegeu també

[modifica]

Enllaços externs

[modifica]
  • Història de Nature sobre l'experiment (anglès)
  • "Penn State: What is a Supersolid?" (anglès)
Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Supersòlid&oldid=36689392»