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Supersolidez

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Supersolidez
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Presentación

Los manuales de Física indican que los materiales sólidos tienen forma y volumen constantes y se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras. Los líquidos no tienen forma fija pero sí volumen, y los gaseosos carecen de forma fija y su volumen varía al cambiar la temperatura y la presión.

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Contenido

Siglo XX

A estos tres estados clásicos de la materia, se agregó en el siglo XX la supefluidez, caracterizada por la ausencia total de viscosidad, con lo que en un circuito cerrado un elemento en este estado fluiría eternamente sin fricción.

Superfluido

El superfluido es un estado de la materia caracterizado por la ausencia total de viscosidad (lo cual lo diferencia de una sustancia muy fluida, la cual tendría una viscosidad próxima a cero, pero no exactamente igual a cero), de manera que, en un circuito cerrado, fluiría interminablemente sin fricción. Fue descubierta en 1937 por Piotr Kapitsa, John F. Allen y Don Misener, y su estudio es llamado hidrodinámica cuántica.

El Hellio II «fluye» a lo largo de las superficies con el fin de encontrar su propio nivel, después de un corto periodo de tiempo, los niveles en los dos contenedores se igualan. La película de Rollin también cubre el interior del recipiente más grande, si no se selló, el helio II puede fluir y escapar.

Es un fenómeno físico que tiene lugar a muy bajas temperaturas, cerca del cero absoluto, límite en el que cesa toda actividad. Un inconveniente es que casi todos los elementos se congelan a esas temperaturas. Pero hay una excepción: el helio. Existen dos isótopos estables del helio, el helio-4 (que es muy común) y el helio-3 (que es raro) y se produce en la desintegración beta del tritio en reactores nucleares. También se encuentra en la superficie de la Luna, arrastrado hasta allí por el viento solar.

Los dos isótopos se comportan de modos muy diferentes, lo cual sirve para examinar los efectos de las dos estadísticas cuánticas, la estadística de Fermi-Dirac, a la que obedecen las partículas de espín semi-entero, y la estadística de Bose-Einstein, seguida por las partículas de espín entero.

Estados de la materia

  • Sólido
  • Líquido
  • Gaseoso
  • Plasma
  • Superfluido
  • Supersolido (en estudio)

Siglo XXI

Podría confirmarse que existe un quinto estado, la supersolidez, del cual se han obtenido los primeros indicios hace menos de una década.

Según el físico estadounidense John Reppy, uno de los principales investigadores mundiales de los superfluidos, a temperaturas próximas al denominado ‘cero absoluto’ (la menor temperatura posible: 273 grados centígrados bajo cero o cero Kelvin -0 K- ) la materia, y más concretamente dos isótopos del helio, tienen comportamientos muy extraños.

Los superfluidos pueden pasar a través de cualquier superficie sin fricción alguna, atravesar las paredes de los contenedores fluyendo por sus poros y atendiendo sólo a su propia inercia, reptar hacia arriba por los lados de cualquier recipiente, llegar al borde y bajar por las paredes exteriores, ha explicado Reppy.

La superfluidez ha sido comprobada en el helio líquido, porque este gas posibilita alcanzar las temperaturas más bajas que se pueden reproducir hasta ahora en un laboratorio y ofrece la posibilidad de estudiar muchos fenómenos diferentes.

Las investigaciones de Reppy se han centrado en uno de los isótopos (átomos de un mismo elemento con diferente masa atómica) de este gas, el helio-4, que cuando baja a temperaturas cercanas al “0 K” se convierte en un superfluido que se comporta de forma contraria a lo que hace un líquido normal, “algo mágico”, según este físico.

El helio-3 también se vuelve superfluido cerca del cero absoluto, pero los científicos trabajan menos con este isótopo, porque es escaso en la naturaleza terrestre si bien abunda en la superficie lunar.

La materia se vuelve desconcertante

“Un fenómeno nuevo y emocionante, si es que existen en realidad”, según Reppy, son los supersólidos, un posible estado de la materia, en la que ésta mantiene su estructura de rejilla pero sin ser rígida y que, probablemente, posea propiedades elásticas. Su primera evidencia la obtuvo, en 2004, el investigador Moses Chan, en la Universidad Estatal de Pensilvania (EE.UU.).

El doctor Reppy y su equipo de la Universidad de Cornell, han reproducido el experimento de Chan, comprobando que lo se observó en el ensayo de 2004 es “un elemento químico dominado por las propiedades elásticas de un sólido”, pero esto debe confirmarse porque aún no se dispone de instrumentos que puedan detectar un supersólido con eficacia y otros investigadores han obtenido resultados distintos.

Uno de los problemas con que se enfrentan los físicos de Cornell en la actualidad es que en los experimentos que están realizando con los instrumentos de medición actuales, las presuntas propiedades elásticas del supersólido, podrían estar siendo confundidas con las del helio sólido normal, el cual también se deforma y es elástico, bajo el frío extremo.

Aunque admite que los humanos tendemos a dejar que una idea se nos quede fija en la cabeza y luego interpretar todo en función de ella, el profesor Reppy cree en la existencia de los supersólidos, que si se demuestra –añade- “sería merecedor de un Premio Nobel”, al igual que sucedió en su momento con los superfluidos.

La Física de temperaturas ultrabajas ha desvelado que a apenas unas milésimas de grado por encima del cero absoluto, la materia adquiere propiedades insólitas y se comporta de formas insospechadas.

Dos de esas propiedades, que han merecido varios Premios Nobel, son la superconductividad, que es la capacidad de ciertos materiales, como el mercurio, de conducir electricidad sin resistencia ni pérdida de energía, y la superfluidez, que se caracteriza por la ausencia total de viscosidad y una extrema capilaridad, que permite que el Helio-3 pase por poros por los que no pasaría un gas.

En 2004, físicos de la Universidad Estatal de Pennsylvania (Penn State) en Estados Unidos, descubrieron una forma del helio-4 a la que llamaron ‘supersólida’, la cual incluye las propiedades de un superfluido, pero también las características de un sólido, lo que podría implicar la existencia de un nuevo estado de la materia.

Primeras evidencias científicas

El profesor Moses Chan y el estudiante Eun-Seong Kim, de la Penn State, explicaron que su material es un sólido porque todos los átomos del helio-4 quedan congelados en una película cristalina rígida, tal como ocurre con los átomos y las moléculas de un cuerpo sólido normal, aunque en el helio esta congelación de los átomos no implica que permanezcan inmóviles.[1]

Según Chan, cuando el helio-4 llega a una temperatura de un décimo de grado sobre el cero absoluto, los átomos de helio comienzan a comportarse como si fueran sólidos y fluidos a la vez, ya que parte de ellos se mueven a través de la película como un superfluido, un líquido que se mueve sin ninguna fricción.

Para informarnos sobre estos complejos hallazgos e investigaciones, Efe ha hablado con el físico teórico Emilio Silvera, quien ha señalado que el Premio Nobel de Física ha sido concedido en varias ocasiones a trabajos relacionados con la física de bajas temperaturas.

  • 1996 fue el descubrimiento de la superfluidez del Helio-3
  • 1997 el enfriamiento de átomo mediante rayo láser
  • 1998 el descubrimiento y la explicación del efecto Hall cuántico fraccionario
  • 2001 la realización de la Condensación de Bose-Einstein en gases atómicos diluidos
  • 2003 a los trabajos sobre la superconductividad y la superfluidez.

Fuentes y Enlaces de Interés

  1. efefuturo/Supersólido: ¿un nuevo estado de la materia?

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