Un nuevo estado de la materia

Algunas madrugadas de primavera el vapor de agua de la atm¨®sfera se condensa. como roc¨ªo sobre las flores. En los fr¨ªos d¨ªas del invierno ese vapor se convierte en escarcha o en nieve, y el agua de los estanques se hiela. Son ejemplos cotidianos de transiciones de fase, un problema que ocupa a los cient¨ªficos desde la ¨¦poca de los sabios de Grecia hasta nuestros d¨ªas.En el a?o 1972, los profesores de f?sica David Lee y Robert Richardson y su joven estudiante de doctorado Douglas Osheroff, de la Universidad de Cornell en Nueva York, descubrieron un nuevo estado de la materia: la superfluidez anis¨®tropa. Realizaban experimentos a muy bajas temperaturas, de pocas mil¨¦simas de grado por encima del cero absoluto, el cero KeIvin, con un aparato construido por ellos. En la celda experimental hab¨ªa una mezcla de helio-3 l¨ªquido y helio-3 s¨®lido, como en un vaso de agua con hielo.

Para investigar las propiedades magn¨¦ticas del s¨®lido, med¨ªan la variaci¨®n de la presi¨®n con la temperatura en la mezcla de l¨ªquido y s¨®lido. La primera vez que observaron unos saltitos en la presi¨®n de la mezcla lo atribuyeron a alguna transici¨®n de fase en s¨®lido. Tras las oportunas verificaciones y discusiones, llegaron a la conclusi¨®n de que hab¨ªan observado por primera vez algo mucho m¨¢s importante, un nuevo estado de la naturaleza, hasta cierto punto creado por ellos.. El descubrimiento desbord¨® con creces las expectativas de estos investigadores.

Desde principios de siglo, la f¨ªsica experimental de bajas temperaturas ha deparado grandes sorpresas a nuestra concepci¨®n del mundo. El holand¨¦s Kammerlingh Onnes (Nobel 1913) consigui¨® la obtenci¨®n de helio l¨ªquido a unos cuatro grados KeIvin. El ruso Piotr Kapitza (Nobel 1978) descubri¨® a finales de la d¨¦cada de los treinta la superfluidez en el helio l¨ªquido. Otro ruso, Lev Landau (Nobel 1962) explic¨® te¨®ricamente las bases de la superfluidez.

En las estrellas

?Qu¨¦ es el helio y qu¨¦ es la superfluidez? El helio es un elemento qu¨ªmico muy ligero; el segundo de la tabla peri¨®dica, que forma parte en peque?as proporciones de la atm¨®sfera, y es muy abundante en el Sol y en todas las estrellas. Se hace l¨ªquido s¨®lo a temperaturas muy bajas. A temperaturas a¨²n m¨¢s bajas (unos dos Kelvin) el l¨ªquido de helio pasa a un sorprendente estado de la materia. Se hace superfluido, es decir, se anula su viscosidad y adquiere propiedades maravillosas. No ofrece ninguna resistencia hidrodin¨¢mica, trepa sin contenci¨®n por las paredes y los capilares, y se introduce por orificios tan peque?os por los que no pasa ni un gas. Estas propiedades no se pueden explicar con la f¨ªsica cl¨¢sica. Es necesaria la f¨ªsica moderna, la f¨ªsica cu¨¢ntica. Por eso al helio superfluido se le llama un l¨ªquido cu¨¢ntico. Gran parte de los fen¨®menos cu¨¢nticos se manifiestan a escala microsc¨®pica o at¨®mica. Sin embargo, el flujo continuo del helio l¨ªquido subiendo por un capilar y saltando como el agua de una fuente se puede ver a simple vista. Por eso, a este tipo de fen¨®menos les llamamos efectos cu¨¢nticos macrosc¨®picos.

La superfluidez del helio guarda una relaci¨®n muy estrecha con la superconductividad que presentan los metales, tambi¨¦n a temperaturas pr¨®ximas a cero Kelvin. En este caso son los electrones los que pierden toda oposici¨®n a su movimiento y, por tanto, al transporte de carga el¨¦ctrica, y esos metales superconductores pasan a tener resistencia el¨¦ctrica nula. Los estadounidenses John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer (Nobeles 1972) explicaron el origen de este comportamiento imprevisto y extraordinario. El dan¨¦s Ivar Giaever y el brit¨¢nico Brian Josephson (Nobeles 1973), entre otros, encontraron aplicaciones de alta tecnolog¨ªa a estos fen¨®menos. ?stos son, someramente, los antecedentes. ?Qu¨¦ descubrieron entonces los premios Nobel de este a?o? El elemento helio tiene dos is¨®topos o variedades estables, con las mismas propiedades qu¨ªmicas. El helio-4, mucho m¨¢s abundante y al que se refieren todas las consideraciones anteriores, y el helio-3, cuya corteza de electrones es igual, pero que tiene un neutr¨®n menos en su n¨²cleo. En lugar de dos protones y dos neutrones, tiene dos protones y un neutr¨®n.

El helio-3 es muy escaso en la Tierra, pero se produce, casi sin querer, como subproducto de las reacciones nucleares causadas por el hombre, las militares y las pac¨ªficas. De acuerdo con la f¨ªsica cl¨¢sica, los dos is¨®topos deber¨ªan tener propiedades parecidas, aparte de su distinta masa. Sin embargo, algunos ¨¢tomos tienen un momento magn¨¦tico; son como diminutos imanes. El helio-4 no es magn¨¦tico, pero el helio-3 s¨ª lo es debido a ese neutr¨®n que le falta en el n¨²cleo. Por eso, de acuerdo con la mec¨¢nica cu¨¢ntica, el l¨ªquido de helio-3 es muy distinto del l¨ªquido de helio-4. La superfluidez del hello-4 es is¨®tropa. Como en un l¨ªquido normal, se ve igual desde cualquier direcci¨®n. Se debe a un fen¨®meno predicho por Einstein (Nobel 1921) y por el f¨ªsico indio Bose: que con una energ¨ªa (temperatura) suficientemente peque?a todos los ¨¢tomos se fusionan en el mismo estado cu¨¢ntico y se mueven colectivamente, perdiendo su individualidad.

En el caso del helio-3, debido a su car¨¢cter magn¨¦tico, este fen¨®meno no se produce de manera simple. Pero la naturaleza ha encontrado un procedimiento mediante el cual se forman parejas de ¨¢tomos para anular sus propiedades magn¨¦ticas. Estas parejas, que ya no tienen fuerza magn¨¦tica, son capaces de fundirse en ese estado colectivo que produce la superfluidez. El mecanismo es an¨¢logo al que produce la superconductividad.

Como en un baile

Esto es lo que descubrieron Lee, Osheroff y Richardson. Los dos superfluidos son muy distintos. Ambos comparten la ausencia de rozamiento al flujo (viscosidad nula), pero el helio-3 superfluido es anis¨®tropo. Es decir, su aspecto es distinto desde distintos ¨¢ngulos. Las parejas de helio-3 superfluido giran como en un baile, creando estructuras complicadas, que incluso dan lugar a tres clases distintas de l¨ªquido. La inmensa y bell¨ªsima variedad de comportamientos de estos estados de la naturaleza ha sido explicada te¨®ricamente, sobre todo por el brit¨¢nico Anthony Leggett. El franc¨¦s de Gennes (Nobel 1991) ha estudiado sus semejanzas con los cristales l¨ªquidos, de amplia utilizaci¨®n.

Hasta principios del siglo XX los f¨ªsicos pensaban que, al bajar la temperatura (energ¨ªa) hasta el cero absoluto, cesar¨ªa todo movimiento, incluso el de los ¨¢tomos y los electrones. Con la mec¨¢nica cu¨¢ntica, durante las tres primeras d¨¦cadas del siglo, se hizo patente que los electrones, y aun los ¨¢tomos, conservan un movimiento b¨¢sico, del que no se les puede privar. Estos descubrimientos de la d¨¦cada de los setenta, premiados ahora con el Nobel, demuestran que no s¨®lo los ¨¢tomos mantienen su vibraci¨®n en las proximidades del cero absoluto de temperatura, sino que tambi¨¦n pueden mantener flujos colectivos de trillones de ¨¢tomos. Podr¨ªamos preguntarnos qu¨¦ aplicaciones tienen estos descubrimientos. De momento s¨®lo se puede pensar en una, a mi juicio la m¨¢s importante: ensanchar los l¨ªmites de nuestro conocimiento de la naturaleza.

Ra¨²l Villar es catedr¨¢tico de F¨ªsica de la Materia Condensada y rector de la Universidad Aut¨®noma de Madrid.