Al inicio de la primavera, la nieve y el hielo se funden a medida que aumenta la temperatura. Este es un fenómeno que ejemplifica el paso del estado sólido a líquido cuando se añade energía térmica a la materia y que podemos observar fácilmente en la naturaleza. Si seguimos calentando el líquido, este acaba evaporándose, según las leyes de la física que conocemos.

Sin embargo, un reciente descubrimiento, publicado en la revista Nature Communications, da un giro completo a esta noción y establece que el calentamiento extremo de un fluido también puede causar su transformación en un estado sólido. No obstante, el sistema que se crea no es el típico sólido al que estamos acostumbrados y, a diferencia, por ejemplo, de los cubitos de hielo en el agua, solo se forma bajo condiciones extremas, en que los efectos de la mecánica cuántica empiezan a tomar un rol determinante.

De hecho, las leyes de la mecánica cuántica favorecen la aparición de estados de la materia inusuales, que desafían la simple categorización en sólidos, líquidos o gases. Uno de esos estados exóticos es el llamado supersólido. En un supersólido, las partículas se agrupan para 'congelarse' en un estado ordenado y, al mismo tiempo, pueden moverse por la estructura formada sin ninguna fricción. Así, presentan propiedades de sólido y superfluido simultáneamente.

Esta aparente contradicción ha fascinado a la comunidad científica durante algunas décadas, desde la primera conjetura sobre la supersolidez hace más de 50 años. No ha sido hasta hace poco que los científicos han encontrado formas de explorar ese estado en experimentos. Esto ha sido posible por medio de la versión cuántica de los llamados ferrofluidos: partículas magnéticas microscópicas en suspensión en un fluido.

Experimento con ferrofluidos cuánticos
Inventados en la NASA en los años 60, los ferrofluidos son coloides magnéticos que presentan numerosas propiedades sorprendentes, y que encuentran aplicaciones en electrónica, ingeniería mecánica y en otras industrias. En un ferrofluido cuántico, las partículas magnéticas se corresponden con átomos individuales. En el laboratorio, estos fluidos dipolares cuánticos se agrupan en forma de gotas microscópicas de unos 10.000 átomos, que se enfrían hasta temperaturas extremas, cercanas al cero absoluto, mediante técnicas de luz láser.

Estas condiciones extremas fuerzan a todos los átomos a ocupar un único estado cuántico para formar el llamado condensado de Bose-Einstein. Este estado puede ser entendido como un fluido que puede propagarse sin resistencia –un superfluido con viscosidad cero–. En un superfluido dipolar, la interacción magnética entre los átomos puede generar la formación de estructuras regulares dentro del condensado, dando lugar a un supersólido, estado exótico de la materia que fue observado hace unos años en una serie de experimentos innovadores.

Equipo de investigación internacional
A partir de estos descubrimientos, investigadores e investigadoras de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC); la Universidad de las Islas Baleares (UIB), en Palma de Mallorca; la Universidad de Aarhus, en Dinamarca, y la Universidad de Innsbruck, en Austria, se propusieron entender el rol que la temperatura juega en la fenomenología de los supersólidos dipolares.

Mientras la mayoría de medidas experimentales anteriores habían sido llevadas a cabo en las temperaturas más bajas alcanzables, el experimento que llevaron a cabo en la Universidad de Innsbruck se diseñó para estudiar el comportamiento de fusión del supersólido bajo una variación controlada de la temperatura. Sorprendentemente, las medidas desvelaron que incrementar la temperatura podía generar la formación del supersólido en lugar del comportamiento de fusión anticipado.

La teoría fue desarrollada por Juan Sánchez Baena, investigador postdoctoral en el grupo de investigación Computer Simulation in Condensed Matter Research Group (SIMCON) de la UPC, durante una estancia en la Universidad de Aarhus, conjuntamente con Thomas Pohl, profesor de esta universidad danesa, y Fabian Maucher, profesor de la UIB.

Los investigadores ofrecen una explicación intuitiva para ese comportamiento aparentemente paradójico. Por un lado, habitualmente, el aumento de temperatura aumenta las fluctuaciones en un sistema y acelera el movimiento térmico de las partículas. Si este movimiento se acelera demasiado, un sólido se derrite y un fluido se vaporiza. Incrementar la temperatura en un condensado de Bose-Einstein también incrementa sus fluctuaciones y expulsa átomos fuera del condensado, que todavía forman parte del fluido cuántico. La interacción magnética de esta pequeña fracción de átomos expulsados puede inducir a la formación de la fase supersólida.

"La física de los fluidos cuánticos dipolares había mostrado muchas sorpresas, pero no esperábamos que estos fluidos pudieran solidificarse al calentarse", explica el investigador Thomas Pohl, quien dirigió el trabajo teórico en la Universidad de Aarhus. "Clarificar esta paradoja ha sido un puzle excitante a resolver, y representa un paso crucial más para poder entender estos sistemas con una física tan rica y fascinante".

De esta forma, los descubrimientos de los autores pueden dar lugar al inicio de investigaciones más detalladas sobre la termodinámica de los superfluidos dipolares, que constituye un territorio mayormente inexplorado hasta ahora. "Estudiar ese efecto ha dado lugar a muchas más preguntas", añade Juan Sánchez Baena, el primer autor de la publicación. "Espero que podamos utilizar el nuevo conocimiento adquirido para resolver algunos de los misterios remanentes", concluye el investigador.

Así, incrementar la temperatura de un fluido dipolar cuántico puede provocar una transición de fase a un estado sólido de la materia. El calentamiento normalmente tiende a fundir o vaporizar un material, pero a un fluido dipolar cuántico puede generar un supersólido compuesto de gotas cuánticas mesoscópicas que se ordenan en estructuras regulares.