Físicos observan un estado supersólido de luz y materia a temperatura ambiente
Una microcavidad óptica construida por investigadores europeos combina flujo superfluido y orden cristalino sin refrigeración criogénica
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Físicos de la Universidad de Varsovia, IBM Research Zurich e instituciones asociadas han observado un estado supersólido de la materia a temperatura ambiente. El hallazgo científico, publicado en Science Advances, prescinde del equipo criogénico que hasta ahora se requería para estudiar este estado cuántico dual.
Orden cristalino y viscosidad cero unidos en una cavidad óptica
Físicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, la Military University of Technology de Polonia, IBM Research Zurich y el CNRS francés han producido un supersólido dentro de un condensado de Bose-Einstein de excitón-polaritones, según informó Phys.org. Los teóricos predijeron los supersólidos en la década de 1960, y los experimentalistas los confirmaron por primera vez con átomos ultrafríos en 2017. Este estado combina el flujo superfluido sin fricción con el patrón espacial periódico de un cristal. En lugar de enfriar nubes atómicas cerca del cero absoluto, el consorcio de investigación TopoLight atrapó cuasipartículas híbridas de luz y materia dentro de una microcavidad, usando el acoplamiento luz-materia para sostener el estado cuántico en condiciones ambientales normales, una innovación científica que tiende un puente entre la física fundamental y los dispositivos prácticos.
«Nuestras microcavidades de cristal líquido pueden funcionar incluso a temperaturas cercanas a los 60 °C.»
Prof. Wiktor Piecek, Military University of Technology
«Este es un ejemplo de manual de ruptura espontánea de simetría. La teoría predecía que el supersólido podía elegir entre varios estados equivalentes, y eso es exactamente lo que observamos.»
Prof. Guillaume Malpuech, Institut Pascal (CNRS)
Cristales líquidos y semiconductores orgánicos resisten 60 grados
El dispositivo experimental utiliza una microcavidad óptica rellena de cristal líquido y recubierta con una película delgada del semiconductor orgánico MeLPPP, abreviatura de poli(parafenileno) de tipo escalera sustituido con metilo. Según el profesor Wiktor Piecek, de la Military University of Technology, cuyo grupo diseñó las estructuras de cristal líquido, estos conjuntos pueden funcionar a temperaturas cercanas a los 60 °C. Los excitón-polaritones del interior de la cavidad persisten solo unos pocos picosegundos. Esa breve vida útil da a las partículas híbridas tiempo suficiente para condensarse y comportarse como un superfluido cuántico sin fricción, sin necesidad de complejas unidades de refrigeración.
Franjas, hélices de espín y ruptura espontánea de simetría
Cuando los investigadores estimularon la muestra con pulsos láser, la luz emitida se organizó en franjas brillantes espaciadas regularmente. Estas franjas sirvieron como prueba óptica de que el condensado formaba una modulación periódica de densidad que coincidía con una red cristalina. Las franjas también cambiaban de posición con cada pulso posterior. El profesor Guillaume Malpuech, del Institut Pascal del CNRS, señaló que el sistema cuántico seleccionó espontáneamente una de varias configuraciones equivalentes, lo que demuestra la ruptura espontánea de simetría. Al mismo tiempo, el condensado creó una hélice de espín persistente, que produjo una modulación periódica de la polarización de la luz junto con el patrón espacial de intensidad.
Límites de fabricación y perspectivas para el hardware óptico
Los materiales experimentales se degradaban con rapidez. El doctor Marcin Muszyński, primer autor del estudio e investigador posdoctoral en The City College of New York, afirmó que el semiconductor orgánico reaccionaba químicamente con el cristal líquido con el paso del tiempo, lo que dejaba a los investigadores solo unas pocas horas para completar las mediciones tras el montaje antes de tener que fabricar un sustituto. Las películas delgadas de MeLPPP depositadas en IBM Research Zurich permitieron al grupo registrar los datos necesarios antes de que comenzara la degradación. Demostrar el comportamiento supersólido sin refrigeración con helio líquido ofrece una base práctica para la transferencia de tecnología en dispositivos ópticos ultrarrápidos, circuitos fotónicos a temperatura ambiente y arquitecturas de computación neuromórfica diseñadas para la inteligencia artificial, lo que convierte a esta invención en un fundamento prometedor para futuras solicitudes de patente.
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