Creación y destrucción de un supersólido dipolar cuántico por calentamiento

Un superfluido es un estado lıquido o gaseoso en el que las partıculas pueden fluir sin fricción. Para visualizarlo, podemos imaginar que hacemos rotar una cubeta llena de helio a una temperatura inferior a 4 Kelvin. Si la velocidad de rotación es suficientemente baja, el helio permanecerá en reposo, aunque la superficie de la cubeta con la que está en contacto se esté moviendo. Un supersólido es un exótico estado de la materia que va un paso más allá: mezcla esta extraña propiedad de superfluidez con periodicidad espacial, reminiscente de un sólido cristalino clásico. En estos supersólidos, los átomos se acumulan mayoritariamente a unas posiciones del espacio determinadas, ya que un halo de átomos restantes envuelve estas concentraciones mayoritarias.

La experiencia de nuestro día a día nos muestra que el aumento de temperatura tiende a destruir la ordenación espacial: si calentamos un bloque de hielo, donde los átomos se encuentran ordenados, éste se funde, y esta ordenación se pierde al transitar a la fase lıquida. Si seguimos calentando, este lıquido se convierte en un gas, donde las partıculas pasan a ocupar todo el volumen disponible. Sin embargo, la mecánica cuántica es capaz de dar la vuelta a esta fenomenología tan conocida: calentar un sistema dipolar que se encuentra inicialmente en un estado superfluido desordenado induce una transición a un estado supersólido con ordenación espacial que, además, preserva la propiedad de superfluidez. Si el sistema sigue calentándose, el supersólido se funde y la superfluidez se pierde, que es la fenomenología esperada. Todo esto ocurre a temperaturas extremadamente bajas, del orden de nano-Kelvin. El trabajo de los investigadores UPC es la primera instancia en la que se ha explorado la conexión y la transición entre estos comportamientos antagónicos. Algo ha sido posible gracias a los potentes métodos computacionales de Monte Carlo para estudiar sistemas cuánticos, la especialidad del grupo de investigación UPC Barcelona Quantum Monte Carlo. En concreto, se ha utilizado el método Path Integral Monte Carlo, capaz de resolver, de forma exacta, el problema cuántico de N cuerpos a temperatura finita.

El estudio supone un paso más en la comprensión del territorio, relativamente inexplorado, de los sistemas dipolares a temperatura finita. Las conclusiones, además, dejan la puerta abierta a más incógnitas a investigar, como la caracterización del sistema dipolar en el límite termodinámico, o la relación entre la emergencia del supersólido por calentamiento y la formación de gotas líquidas dipolares ultradiluidas.