A l'inici de la primavera, la neu i el gel es fonen a mesura que augmenta la temperatura. Aquest és un fenomen que exemplifica el pas de l’estat sòlid a líquid quan s’afegeix energia tèrmica a la matèria i que podem observar fàcilment a la natura. Si continuem escalfant el líquid, aquest s’acaba evaporant, segons les lleis de la física que coneixem.

Ara, però, un descobriment recent, publicat a la revista Nature Communications, fa un gir complet a aquesta noció i estableix que l'escalfament extrem d'un fluid també pot causar la seva transformació en un estat sòlid. No obstant això, el sistema que es crea no és el típic sòlid a què estem acostumats i, a diferència, per exemple, dels glaçons a l'aigua, només es forma sota condicions extremes, en què els efectes de la mecànica quàntica comencen a prendre un rol determinant.

De fet, les lleis de la mecànica quàntica afavoreixen l’aparició 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. En un supersòlid, les partícules s'agrupen per ‘congelar-se’ en un estat ordenat i, al mateix temps, poden moure's per l'estructura formada sense cap mena de fricció. Així, presenten propietats de sòlid i superfluid simultàniament.

Aquesta aparent contradicció ha fascinat la comunitat científica durant algunes dècades, des de la primera conjectura sobre la supersolidesa fa més de 50 anys. No ha estat fins fa poc que els científics han trobat maneres d’explorar aquest estat amb experiments. Això ha estat possible gràcies a la versió quàntica dels anomenats ferrofluids: partícules magnètiques microscòpiques en suspensió en un fluid.

Experiment amb ferrofluids quàntics
Inventats a la NASA als anys 60, els ferrofluids són col·loides magnètics que presenten nombroses propietats sorprenents, i que troben aplicacions en electrònica, enginyeria mecànica i en altres indústries. En un ferrofluid quàntic, les partícules magnètiques es corresponen a àtoms individuals. En el laboratori, aquests fluids dipolars quàntics s'agrupen en forma de gotes microscòpiques d’uns deu mil àtoms, que es refreden fins a temperatures extremes, properes al zero absolut, mitjançant tècniques de llum làser.

Aquestes condicions extremes 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−. En 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 estat exòtic de la matèria que va ser observat fa uns anys en una sèrie d'experiments innovadors. 

Nou coneixement per resoldre enigmes científics
A partir d'aquests descobriments, investigadors i investigadores de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC); la Universitat de les Illes Balears (UIB), a Palma de Mallorca; la Universitat d'Aarhus, a Dinamarca, i la Universitat d'Innsbruck, a Àustria, es van proposar entendre el rol que té la temperatura en la fenomenologia dels supersòlids dipolars.

Mentre la majoria de mesures experimentals anteriors s'havien fet amb les temperatures més baixes assolibles, l'experiment que van dur a terme a la Universitat d'Innsbruck es va dissenyar 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 lloc del comportament de fusió anticipat. 

La teoria ha estat desenvolupada per Juan Sánchez Baena, investigador postdoctoral del grup de recerca Computer Simulation in Condensed Matter Research Group (SIMCON) de la UPC, durant una estada a la Universitat d’Aarhus, conjuntament amb Thomas Pohl, professor d’aquesta universitat danesa, i Fabian Maucher, professor de la UIB. 

Els investigadors ofereixen una explicació intuïtiva per a aquest comportament aparentment paradoxal. D’una banda, habitualment, l'augment de temperatura augmenta les fluctuacions en 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 en un condensat de Bose-Einstein també incrementa les seves fluctuacions i expulsa àtoms fora del condensat, que encara formen part del fluid quàntic. La interacció magnètica d'aquesta petita fracció d'àtoms expulsats pot induir la formació de la fase supersòlida. 

"La física dels fluids quàntics dipolars havia mostrat moltes sorpreses, però no esperàvem que aquests fluids poguessin solidificar-se en escalfar-se", explica l'investigador Thomas Pohl, que ha dirigit el treball teòric a la Universitat d'Aarhus. "Clarificar aquesta paradoxa ha estat un puzle excitant a resoldre, i representa un pas crucial més per poder entendre aquests sistemes amb una física tan rica i fascinant". 

D'aquesta manera, els descobriments dels autors poden donar lloc a investigacions més detallades sobre la termodinàmica dels superfluids dipolars, que constitueix un territori majorment inexplorat fins ara. "Estudiar aquest efecte ha donat lloc a moltes més preguntes", afegeix Juan Sánchez Baena, el primer autor de la publicació. "Espero que puguem fer servir el nou coneixement adquirit per resoldre alguns dels misteris encara presents", conclou l’investigador.

Així, incrementar la temperatura d'un fluid dipolar quàntic pot provocar una transició de fase a un estat sòlid de la matèria. L'escalfament normalment tendeix a fondre o vaporitzar un material, però en un fluid dipolar quàntic pot generar un supersòlid compost de gotes quàntiques mesoscòpiques que s'ordenen en estructures regulars.