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    2004-09-16
    )

    Supersólidos
    2004-09-16


    Territorios, Ciencia-Futuro
    Miércoles 15 de septiembre de 2004
    EL CORREO

    La Física de la Materia Condensada está descubriendo nuevas formas en que un sólido puede actuar, a bajísimas temperaturas, cerca del cero absoluto


    El 15 de enero de 2004, aparecía en la revista científica Nature un anuncio por parte de un equipo de físicos de la Penn State University (en , EEUU), dirigido por Moses H. W. Chan del descubrimiento de una fase diferente de la materia, a la que bautizaban “supersólido”. Experimentando con Helio-4 a bajas temperaturas, de manera que este gas a temperatura ambiente se solidifica, habían conseguido llegar a una transición en la que el sólido parecía comportarse como si no tuviera fricción alguna. Algo así se conoce desde hace años en los líquidos, un fenómeno denominado superfluidez. Pero, por vez primera, parecía que una estructura ordenada como es un sólido podía llegar a fluir sin viscosidad alguna.

    Hace una semana, en la revista Science del 3 de septiembre, Chan y un estudiante que colabora con él, Eun-Seong Kim, presentan nuevos análisis, que confirman este nuevo estado de la materia. Desde luego, no es algo que sea fácil de observar, porque se da a temperaturas tan bajas que sólo se está un cuarto de grado por encima del cero absoluto. En esas temperaturas tan bajas, las propiedades cuánticas de la materia son muy relevantes y condicionan la forma en que se puede ordenar, y cómo puede o no disponerse o moverse. De esta manera, aparecen fenómenos que parecen atentar contra la lógica. Por ejemplo, si consiguiéramos tener una moneda de material supersólido, y la colocáramos sobre un tocadiscos, al comenzar a girar el disco veríamos cómo la moneda se quedaba quieta. En condiciones normales, la fricción entre la superficie del disco y la de la moneda provoca que ésta sea arrastrada. Una moneda de helio supersólido, sin embargo, no experimenta fricción y se quedaría donde está, dejando pasar el disco por debajo de ella.

    Carrera hacia el frío
    Para entender qué sucede con la materia cuando la temperatura baja, deberíamos por comenzar por entender qué mide la temperatura. Las primeras escalas de temperatura, establecidas en la segunda mitad del siglo XVII empleaban parámetros relativos de calor o frialdad de diversos objetos: por ejemplo, la escala Celsius establece su cero en el punto de congelación del agua, y el valor 100 para el punto de evaporación de esta sustancia, en condiciones normales de presión. El desarrollo de la Termodinámica, y posteriormente la teoría atómica permitió entender que ese calor de un cuerpo proviene de los movimientos de las moléculas que lo componen. Cuando se van superando ciertas temperaturas, las posibilidades de movimientos (tanto rotaciones como vibraciones, aparte de traslaciones o desplazamientos) aumentan, y esto puede provocar que las moléculas queden libres, como sucede en los gases. A menores temperaturas, ciertos movimientos quedan restringidos, de manera que el material se comporta como un fluido. Si las temperaturas bajan aún más, normalmente llegamos a una fase más ordenada –a menudo cristalina- de la materia: los sólidos.

    Hay un valor mínimo alcanzable de temperatura, en el cual, teóricamente, los componentes de la materia estarían completamente quietos. Esa temperatura es el cero absoluto, base de la escala de temperaturas establecida por Lord Kelvin. El cero corresponde a 273,2 grados bajo cero de la escala Celsius.

    Con la llegada de la Mecánica Cuántica en el primer tercio del siglo XX, esta teoría clásica de la materia sufrió un vuelco espectacular. La forma en que se ordenan las partículas subatómicas viene regida por diversas condiciones, que no pueden tomar cualquier valor: están cuantizados, esto es, experimentan incrementos discretos. En 1908, Heike Kammerling Ones, de la Universidad de Leiden, consiguió licuar el Helio, a una temperatura de tan sólo 4,2 K (es decir, -269 ºC). El Helio el más ligero de los gases nobles, que ha sido habitualmente el elemento preferido para estos estudios de temperaturas cercanas al cero absoluto debido a su sencillez: su núcleo contiene dos protones y puede tener de uno a cinco neutrones, aunque sólo los isótopos con un neutrón (Helio-3) y con dos (Helio-4) son estables.

    El Helio tiene además propiedades extrañas: cuando se reduce la temperatura de un gas, manteniendo constante la presión, el gas llega a convertirse en líquido. Bajando aún más la temperatura se llega a tener la fase sólida. Sin embargo, en el caso del Helio no es así. A 4,2 K tenemos ya Helio líquido, pero por más que sigamos bajando la temperatura no llegamos nunca a tenerlo sólido: el Helio no se congela. En 1932, también en Leiden, los hermanos Keesom consiguieron encontrar que, enfriando el isótopo Helio-4, a una temperatura de 2,19 K se producía una transición de fase, pero no a sólido, sino a un estado líquido con características completamente diferentes de los líquidos habituales: era un extraordinario conductor del calor, y se desplazaba mucho más rápido que los líquidos convencionales. Estudiando esta fenomenología, P.L. Kapitza definió en 1935 ese nuevo estado de la materia como superfluido: un líquido sin viscosidad, capaz de fluir por los orificios más pequeños e incluso escaparse escalando por un vaso.

    La mecánica cuántica podía explicar lo que sucedía con el Helio a esas bajas temperaturas: por así decirlo, los átomos de Helio-4 se comportan de una forma que parecen colapsar en el estado más elemental, de menor energía, de manera que pueden pasar unos junto a otros sin siquiera rozarse. La viscosidad ha desaparecido. En el caso del Helio-3, con tres partículas nucleares y no cuatro, su comportamiento cuántico responde a otro tipo de mecanismo: se produce una imposibilidad de colapso en el estado elemental, y por ello siempre se mantiene la característica de fluido (salvo cuando su temperatura es sólo unas milésimas por encima de 0 K, que también, como se detectó en 1972, se vuelve superfluido).

    La cuestión es que todo esto que explicábamos sucede a presiones similares a la atmosférica al nivel del mar (1 atmósfera). A mayor presión, por encima de 25 atmósferas, es posible llegar a tener Helio-4 sólido. Los estudios de Chan muestran que el Helio-4 sólido presenta también un momento en el que sus átomos están colapsados en el estado elemental, y entonces, ese sólido deja de efectuar fuerzas de fricción: se convierte en el sólido más resbaloso imaginable.

    Superfluidos, Superconductores, Supersólidos...
    Los aspectos de la naturaleza íntima de la materia, que estudia la física cuántica habitualmente se evidencian en escalas muy pequeñas de tamaño. Sin embargo, algunos fenómenos tienen un alcance macroscópico: el comportamiento de la materia siguiendo las leyes de la mecánica cuántica, aunque contrario a la intuición de lo que pasa en el mundo habitualmente, llega a tener consecuencias que sí podemos detectar. Desde el efecto fotoeléctrico a los semiconductores, tenemos la física cuántica en todos los hogares. Lo que le sucede a la materia cuando alcanza temperaturas muy bajas es un buen ejemplo de esto, y comienza a tener aplicaciones prácticas.

    Por ejemplo, el fenómeno de la superconductividad, que algunos materiales alcanzan por debajo de cierta temperatura, convirtiéndose en perfectos conductores de electricidad. Si bien se descubrió a temperaturas cercanas a 0 K, ahora se conocen, y utilizan, superconductores más cercanos a la temperatura ambiente (unos -100 ºC), que han conseguido realizar los complejos circuitos de los ordenadores más grandes y veloces sin tener las enormes pérdidas por calor que producen los materiales convencionales, que presentan resistencia eléctrica. Todavía se está lejos de obtener aplicaciones para los superfluidos o supersólidos, principalmente por las temperaturas tan bajas, pero de su conocimiento está obteniéndose un mejor panorama de cómo es la materia, un conocimiento del que sí surgen nuevas aplicaciones.

    2004-09-16 01:00
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    Comentarios

    1
    De: cesar arce Fecha: 2005-09-21 23:19

    me gustaria saber mas sobre el superfluido helio 3, tiene algun uso comercial?



    2
    De: Mario Fecha: 2006-12-09 22:04

    que significaria que los atomos de algun objeto no tengan movimiento (cero absoluto), explotaria, se desintegraria?.

    Gracias



    3
    De: Carlos Fecha: 2007-01-10 23:20

    Aun pueden existir mas estados de la materia? es decir solo se ha experimentado con el gas mas liviano pero podria haber la posibilidd de tratar y descubrir otras cosas(debido a la diferencia de sus compuestos) con demas elementos(debido a la diferencia de sus compuestos)?



    4
    De: zorba el buda Fecha: 2007-01-29 21:17

    el helio 4 cuando esta superfrio y es un "solido" se encuentra bajo las condiciones de una condensacion bose-einstein?



    5
    De: no0 t interesa Fecha: 2009-08-27 03:51

    que cursiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii



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