Observen les vibracions cristal·lines d'un supersòlid fet d'àtoms i llum
Per primera vegada, investigadors de l’ICFO i de la UAB han obtingut imatges directes d’un supersòlid acoblat espín-òrbita. L’equip ha observat fluids quàntics d’àtoms que formen franges amb un espaiat que oscil·la en el temps, tal com passa en un cristall. Aquests resultats, publicats a Science, demostren de manera inequívoca la naturalesa dual superfluida i cristal·lina d’aquests sistemes.
El segle XX va estar marcat pel descobriment d’estats exòtics de la matèria. En primer lloc, es va observar que l’heli líquid fluïa sense fricció a temperatures extremadament baixes, una fase que avui es coneix com a superfluid. Poc després, també es va descobrir que, en les condicions externes adequades, alguns materials poden conduir electricitat sense resistència; aquests materials van rebre el nom de superconductors. Més tard, a la dècada de 1960, els científics van afegir la idea dels supersòlids a la llista: en aquest estat de la matèria, els àtoms flueixen sense fricció com un superfluid, alhora que mantenen l’ordre espacial periòdic característic d’un cristall.
Tot i que els supersòlids van ser predits fa anys, no ha estat fins fa poc que s’ha començat a realitzar-los experimentalment, així com a explorar la seva naturalesa dual superfluida i cristal·lina. Encara queden moltes preguntes obertes sobre com i en quines condicions aquestes propietats es manifesten en les diferents plataformes. Ara, els investigadors de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) Craig Chisholm, Sarah Hirthe, Vasiliy Makhalov, Ramon Ramos i Rémy Vatré, dirigits per la professora ICREA Leticia Tarruell, en col·laboració amb els investigadors de la UAB Josep Cabedo i Alessio Celi, han aconseguit demostrar de manera inequívoca la supersolidesa en àtoms de potassi ultrafreds acoblats a la llum.
La recerca ha permès obtenir, per primera vegada, imatges dels anomenats supersòlids acoblats espín-òrbita, i ha aportat proves concloents de les seves propietats tant sòlides com superfluides. Aquestes observacions directes, ara publicades a Science, mostren un núvol d’àtoms de potassi que forma espontàniament franges (una estructura similar a la d’un cristall) amb un espaiat que oscil·la en el temps, acostant-se i allunyant-se repetidament.
Gràcies a la col·laboració amb els investigadors de la UAB, l’equip ha aconseguit explicar els resultats experimentals amb la descripció del núvol atòmic com una barreja d’àtoms modificats que interfereixen, un marc teòric anomenat model de mixtura desenvolupat durant el doctorat de Josep Cabedo a la UAB, dirigit pel professor agregat del Grup d’Òptica del Departament de Física de la UAB Alessio Celi.
Per al professor Alessio Celi, el model semianalític de mixtura «destaca per la seva simplicitat i el seu fort acord amb les dades. De manera sorprenent, vam aconseguir explicar les franges supersòlides i la seva dansa excepcional amb àtoms modificats que es comporten de manera diferent a causa de l’acoblament de la llum».
«Les estructures cristal·lines no són mai perfectament estàtiques», explica la professora ICREA Leticia Tarruell. «Els àtoms vibren lleugerament al voltant de les seves posicions, de manera que la distància entre ells va variant. Un supersòlid autèntic també hauria de compartir aquesta característica, i això és exactament el que hem observat». L’equip també va observar que, quan la mida total del núvol s’expandeix o es contrau, apareixen noves franges o desapareixen les existents, respectivament, un comportament relacionat amb la seva naturalesa superfluida.
Un condensat de Bose-Einstein acoblat espín-òrbita és un veritable supersòlid?
Naturalment, per obtenir aquestes imatges, els investigadors primer van haver de crear el supersòlid. En refredar un núvol d’àtoms de potassi fins a temperatures properes al zero absolut, els àtoms es van anar alentint fins a quedar gairebé immòbilsde tal manera que van formar un condensat de Bose-Einstein (una fase exòtica de la matèria en què tots els àtoms ocupen l’estat d’energia mínima, comparteixen una única funció d’ona quàntica i, en conseqüència, es comporten col·lectivament).
A continuació, els investigadors van enviar dos feixos làser des de direccions diferents per acoblar l’estat d’espín dels àtoms amb el seu moment. Això va donar lloc a un condensat de Bose-Einstein acoblat espín-òrbita, en el qual dos estats atòmics de moments diferents interfereixen entre si. Aquesta interferència és el que va produir un patró de franges al núvol, que va donar lloc al supersòlid.
«La major part dels treballs previs relacionats amb els supersòlids s’havia dut a terme amb gasos quàntics magnètics, mentre que altres plataformes, com els condensats de Bose-Einstein acoblats espín-òrbita, romanien en gran mesura inexplorades», assenyala la professora Tarruell. Com explica la investigadora, durant anys es va debatre si un condensat de Bose-Einstein acoblat espín-òrbita podia convertir-se en un veritable supersòlid, és a dir, si realment en podia emergir una estructura cristal·lina amb la seva rica dinàmica.
«En experiments anteriors es podia inferir indirectament l’aparició d’un patró cristal·lí, però nosaltres volíem veure’l amb els nostres propis ulls», comenta Sarah Hirthe, una de les primeres coautores de l’article. De fet, les primeres imatges directes d’aquest tipus de supersòlid han resolt el debat sobre els condensats de Bose-Einstein acoblats espín-òrbita, i els han establert com una nova i excel·lent plataforma per estudiar la supersolidesa. «El potassi va ser essencial per amplificar el patró i permetre’ns observar directament la seva dinàmica. En experiments anteriors, en què s’utilitzaven altres espècies atòmiques, el contrast de les franges era massa baix per veure-les amb claredat, i per això només es podia inferir», afegeix la investigadora.
Un cop d’ull a futurs estats exòtics de la matèria
L’equip ja està pensant a anar un pas més enllà i aplicar els coneixements adquirits per crear el que anomenen un líquid supersòlid. Aquesta fase hipotètica de la matèria consistiria en gotes líquides estabilitzades per efectes purament quàntics (com aquelles que va descobrir el mateix equip de l’ICFO l’any 2017) que, a més, contindrien una estructura cristal·lina interna. Si arribessin a fer-se realitat, els líquids supersòlids s’unirien a la família d’estats exòtics de la matèria, que es van començar a explorar fa poc més d’un segle.
De moment, però, aquestes imatges ja han marcat una fita en aquest camp en revelar una dinàmica de les franges indicativa d’un comportament tant superfluid com cristal·lí. Segons la professora Tarruell, «per primera vegada, hem vist l’estructura cristal·lina d’aquest supersòlid sent realment dinàmica, bàsicament “respirant”, com si estigués viva».
Referència:
C. S. Chisholm, S. Hirthe, V. B. Makhalov, R. Ramos, R. Vatré, J. Cabedo, A. Celi, L. Tarruell, Probing supersolidity through excitations in a spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate, Science (2026).