Físicos observan por primera vez cómo un superfluido se convierte en un “supersólido” cuántico

Un experimento con bicapas de grafeno revela cómo un superfluido cuántico puede transformarse en un estado sólido ordenado, reavivando la búsqueda experimental de los supersólidos.

Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar

Físico, escritor y divulgador científico

La materia suele comportarse de forma previsible cuando cambia la temperatura: los gases se licúan, los líquidos se solidifican y los sólidos refuerzan su estructura. Sin embargo, en el dominio cuántico esa lógica puede romperse. En sistemas extremadamente fríos y controlados, algunas formas de materia desarrollan propiedades que no encajan en las categorías habituales. Entre ellas destaca el superfluido, capaz de fluir sin viscosidad y sin disipar energía, un comportamiento que durante décadas ha fascinado a los físicos.

Un trabajo experimental reciente ha añadido un nuevo capítulo a esa historia. En un sistema de excitones en bicapas de grafeno, investigadores han observado por primera vez una transición directa entre un superfluido y un estado aislante compatible con un supersólido cuántico, una fase largamente buscada que combina orden sólido con coherencia cuántica. El resultado no solo confirma predicciones teóricas de larga data, sino que aporta un escenario experimental limpio para estudiar cómo interactúan el orden y la superfluidez en un mismo sistema físico.

Qué es un superfluido y por qué resulta tan especial

Un superfluido es un estado de la materia asociado a la condensación de Bose-Einstein, en la que muchas partículas se comportan como si fueran una sola entidad cuántica. En ese régimen, el fluido puede desplazarse sin fricción, atravesar canales diminutos o mantener corrientes persistentes sin pérdida de energía. Estas propiedades no surgen de interacciones clásicas, sino de la coherencia cuántica colectiva del sistema.

El superfluido más conocido es el helio a temperaturas cercanas al cero absoluto, pero no es el único. En sistemas artificiales, como gases atómicos ultrafríos o estructuras electrónicas diseñadas, también pueden aparecer estados superfluidos. En todos los casos, el rasgo común es que las partículas relevantes obedecen estadísticas bosónicas o se comportan como tales. Comprender cómo estos estados emergen y cómo pueden desaparecer es clave para entender fases más exóticas de la materia cuántica.

Durante años, una pregunta ha permanecido abierta: ¿qué ocurre si un superfluido se enfría aún más o se hace más diluido? La intuición clásica sugiere que debería “congelarse” en un sólido, pero esa transición no es trivial cuando la superfluidez está ligada a la coherencia cuántica. De esa tensión nace el concepto de supersólido.

Firma experimental del condensado de excitones en una bicapa cuántica: los esquemas muestran cómo los excitones se forman entre dos capas y cómo su densidad cambia al desequilibrarlas, mientras que las mediciones de arrastre eléctrico y contraflujo revelan el paso de un régimen superfluido, con respuesta colectiva coherente, a fases donde las capas dejan de estar acopladas. Fuente: Nature

El concepto de supersólido: orden y fluidez al mismo tiempo

Un supersólido es una fase de la materia que, en teoría, combina dos propiedades que parecen incompatibles. Por un lado, presenta orden cristalino, es decir, una disposición espacial regular de sus componentes, característica de los sólidos. Por otro, mantiene superfluidez, lo que implica movimiento sin fricción y coherencia cuántica a gran escala.

La idea fue propuesta hace décadas en el contexto del helio sólido, pero los experimentos nunca lograron una demostración inequívoca. En años recientes, se han creado estados supersólidos en gases atómicos ultrafríos, aunque en esos casos el orden espacial suele imponerse mediante potenciales externos, como redes ópticas generadas por láseres. Esto dejaba abierta una cuestión crucial: ¿puede surgir un supersólido de manera puramente espontánea, impulsado solo por interacciones entre partículas?

El nuevo experimento aborda directamente esa cuestión. El sistema estudiado no utiliza una red artificial para forzar el orden, sino que deja que las interacciones internas determinen el estado final. Esta diferencia es fundamental para evaluar si el estado observado puede considerarse un auténtico supersólido cuántico.

Excitones en bicapas de grafeno: un laboratorio cuántico controlable

El escenario experimental se basa en bicapas de grafeno, dos láminas de carbono de un solo átomo de grosor separadas por un aislante muy fino. Cuando una capa contiene un exceso de electrones y la otra un exceso de huecos, pueden formarse excitones intercapas, pares ligados de carga opuesta que se comportan como partículas bosónicas neutras.

En presencia de un fuerte campo magnético y a temperaturas muy bajas, estos excitones pueden condensarse en un estado superfluido. La gran ventaja de este sistema es su alto grado de control experimental: los investigadores pueden ajustar la densidad de excitones, la separación efectiva entre capas y el grado de desequilibrio entre ellas mediante campos eléctricos y magnéticos.

El artículo describe este contexto con claridad al señalar que “los excitones en bicapas proporcionan una oportunidad única para estudiar estados bosónicos correlacionados en un sistema de estado sólido”, subrayando que se trata de una plataforma especialmente versátil para explorar fases cuánticas exóticas. Esa versatilidad resulta clave para acceder a regímenes donde la superfluidez deja de ser estable.

Cómo se induce la transición del superfluido al estado aislante

El experimento no fuerza la transición mediante una estructura externa. En su lugar, modifica un parámetro interno esencial: la separación media entre excitones. Al introducir un desequilibrio entre las dos capas de grafeno, la densidad efectiva de excitones disminuye y la distancia entre ellos aumenta.

Los resultados muestran que, cuando esa separación supera aproximadamente el tamaño efectivo del excitón, el sistema deja de comportarse como un superfluido. El artículo lo resume de forma directa al afirmar que “observamos una transición de superfluido a aislante cuando la separación entre excitones excede el radio efectivo del excitón”. En ese régimen, las interacciones dipolares entre excitones dominan y favorecen una disposición ordenada, compatible con un sólido.

Control de la fase excitónica mediante desequilibrio entre capas: el mapa de arrastre eléctrico muestra cómo al variar el desbalance de densidad se ajusta la separación entre excitones, revelando regiones bien definidas de condensado superfluido, estados excitónicos preformados y fases desacopladas, así como la temperatura crítica a la que emerge la coherencia colectiva. Fuente: Nature

Este cambio no es gradual. Los datos experimentales indican una transición de primer orden, con histéresis al variar temperatura o densidad, una señal típica de cambios abruptos entre fases con distinto orden interno. Ese comportamiento refuerza la interpretación de que el estado aislante no es simplemente un fluido desordenado, sino una fase con estructura propia.

Un comportamiento térmico inesperado: el sólido que se derrite en superfluido

Uno de los resultados más llamativos es la respuesta del sistema a la temperatura. En la mayoría de los materiales, aumentar la temperatura destruye el orden. Aquí ocurre algo más sutil. A temperaturas muy bajas, el sistema entra en el estado aislante. Al aumentar la temperatura, reaparece la superfluidez antes de que el sistema se vuelva completamente normal.

El propio artículo destaca este punto al señalar que “el aislante se funde en un superfluido recuperado al aumentar la temperatura”, una observación poco común en sistemas cuánticos. Este comportamiento sugiere que el estado aislante conserva algún tipo de coherencia cuántica subyacente, compatible con la idea de un sólido cuántico y no de un aislante convencional dominado por el desorden.

La reentrada de la superfluidez con la temperatura es una de las pistas más fuertes a favor de la interpretación supersólida. En un sólido clásico, el calentamiento rompe el orden sin restaurar propiedades cuánticas colectivas. Aquí, en cambio, la superfluidez reaparece, lo que apunta a un equilibrio delicado entre orden espacial e interacciones cuánticas.

Por qué este resultado importa más allá del grafeno

La observación experimental de esta transición tiene implicaciones que van más allá de un sistema concreto. En primer lugar, proporciona evidencia directa de que las interacciones entre excitones pueden estabilizar una fase sólida cuántica sin necesidad de un potencial externo. En segundo lugar, conecta de forma natural con teorías que llevaban décadas prediciendo supersólidos impulsados por interacciones dipolares.

Además, el trabajo establece un paralelismo claro con otros fenómenos cuánticos conocidos, como los cristales de Wigner en el efecto Hall cuántico, donde el orden aparece cuando las partículas se vuelven suficientemente diluidas. Este tipo de analogías ayuda a unificar distintos campos de la física de la materia condensada bajo principios comunes.

Por último, el uso de materiales bidimensionales abre la puerta a explorar estos estados a temperaturas relativamente más altas que en sistemas atómicos, lo que podría facilitar futuras aplicaciones experimentales. Aunque aún no se puede hablar de dispositivos, el control demostrado sobre fases tan delicadas marca un paso importante en esa dirección.

Lo que aún queda por demostrar

A pesar de la solidez de los resultados, los propios autores son cautos. El estado aislante observado es consistente con un sólido de excitones, pero demostrar de forma directa la coexistencia de orden cristalino y superfluidez sigue siendo un desafío experimental. Las técnicas de transporte eléctrico, centrales en este trabajo, no permiten medir directamente el flujo superfluido en una fase aislante.

El artículo lo reconoce con claridad al indicar que “nuestros resultados son consistentes con un sólido de excitones”, pero que identificar de manera inequívoca un supersólido requerirá nuevas herramientas experimentales. Esa prudencia no resta valor al hallazgo, sino que subraya la complejidad de identificar fases cuánticas híbridas.

Lo relevante es que, por primera vez, existe un sistema sólido-estado donde la transición clave puede estudiarse de forma reproducible y controlada. Esto convierte al grafeno bicapa en un referente para futuras investigaciones sobre supersólidos y otras fases exóticas.