Imatges directes revelen les vibracions cristal·lines d’un supersòlid fet d’àtoms i llum
Per primera vegada, investigadors i investigadores de l’ICFO, en col·laboració amb científics 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, sota 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, ha estat recentment que han 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 sota quines condicions aquestes propietats es manifesten en les diferents plataformes. Ara, investigadors de l’ICFO, el Dr. Craig Chisholm, la Dra. Sarah Hirthe, el Dr. Vasiliy Makhalov, el Dr. Ramon Ramos, i el Dr. Rémy Vatré, dirigits per la Prof. ICREA Leticia Tarruell, en col·laboració amb el Dr. Josep Cabedo i el Prof. Alessio Celi, físics teòrics de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), han aconseguit demostrar de manera inequívoca la supersolidesa en àtoms de potassi ultrafreds acoblats a la llum.
Per primera vegada, investigadors i investigadores de l’ICFO han obtingut imatges dels anomenats supersòlids acoblats espín-òrbita, aportant proves concloents tant de les seves propietats 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 teòrics de la UAB, l’equip ha aconseguit explicar els resultats experimentals descrivint el núvol atòmic com una barreja d’àtoms modificats que interfereixen, a través de l’anomenat model de mixtura.
“Les estructures cristal·lines mai no són perfectament estàtiques”, explica la professora ICREA Leticia Tarruell, investigadora principal de l’estudi. “Els àtoms vibren lleugerament al voltant de les seves posicions, variant la distància entre ells. 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.
És un condensat de Bose-Einstein acoblat espín-òrbita 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 immòbils, formant finalment un condensat de Bose-Einstein (una fase exòtica de la matèria en què tots els àtoms ocupen l’estat d’energia mínima, compartint una única funció d’ona quàntica i, en conseqüència, comportant-se 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, donant lloc al supersòlid.
“La major part dels treballs previs entorn dels supersòlids s’havia dut a terme amb gasos quàntics magnètics, mentre que altres plataformes, com els condensats de Bose-Einstein acoblats espín-òrbita, havien romàs 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 la Dra. 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 al voltant dels condensats de Bose-Einstein acoblats espín-òrbita, establint-los 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, que 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 descobertes pel mateix grup 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, l’exploració dels quals va començar fa poc més d’un segle.
De moment, però, aquestes imatges ja han marcat una fita en el camp en revelar una dinàmica de les franges indicativa tant d’un comportament superfluid com cristal·lí. Segons la professora Tarruell: “Per primera vegada, hem vist l’estructura cristal·lina d’aquest supersòlid essent 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). DOI: