La materia suele comportarse de forma predecible ante cambios de temperatura. Por ejemplo, los gases se licúan, los líquidos se solidifican y los sólidos refuerzan su estructura. Sin embargo, en el ámbito de la mecánica cuántica, esta lógica puede dar paso a comportamientos inesperados. Recientemente, un grupo de investigadores ha realizado un descubrimiento fascinante en un sistema de excitones en bicapas de grafeno. En este experimento, han observado por primera vez una transición directa entre un estado superfluido y un estado aislante, que podría corresponder a un «supersólido» cuántico, una fase altamente deseada en la física que busca combinar el orden sólido con la coherencia cuántica. Este hallazgo abre una nueva puerta para el estudio de interacciones en sistemas cuánticos, desafiando nuestras nociones actuales sobre cómo se comporta la materia en condiciones extremas.
El concepto de superfluido es central para entender este novedoso comportamiento. Un superfluido es un estado de la materia que se asocia con la condensación de Bose-Einstein, donde un gran número de partículas actúan como una sola entidad cuántica. Este fenómeno permite que el fluido se desplace sin fricciones y mantenga corrientes persistentes sin disipar energía. Aunque el helio a temperaturas cercanas al cero absoluto es el superfluido más conocido, los avances en la tecnología han permitido observar superfluidez en sistemas artificiales compuestos por gases atómicos ultrafríos o estructuras electrónicas. La importancia de estos estudios radica en la búsqueda de entender cómo emergen estos estados y cuáles son las condiciones bajo las cuales pueden desaparecer, aportando a nuestra comprensión de las fases exóticas de la materia cuántica.
Las preguntas persistentes sobre el comportamiento de un superfluido al ser enfriado más allá de ciertos límites han sido un tema de debate. Contrario a lo que uno podría suponer, un superfluido no necesariamente se convierte en un sólido al disminuir la temperatura. En cambio, la relación entre coherencia cuántica y superfluidez induce la posibilidad de un nuevo estado denominado «supersólido», que combina el orden típico de un sólido con la fluidez de un superfluido. Investigaciones previas han intentado demostrar este fenómeno, aunque sin resultados concluyentes. Sin embargo, el reciente trabajo experimental promete aportar respuestas a esta cuestión al permitir explorar un sistema en el que se reduce la complejidad de introducir potenciales externos, dejando que las interacciones internas dicten el estado final.
El sistema experimental basado en bicapas de grafeno permite un control excepcional sobre las condiciones de los excitones, que son pares de excitación de electrones y huecos que se comportan como bosones. En este contexto, los investigadores han ajustado parámetros como la densidad de excitones y la separación entre capas para observar cómo estas variaciones afectan la transición entre un estado superfluido y uno aislante. Los resultados revelan que al aumentar la distancia entre los excitones, el sistema deja de comportarse como un superfluido, indicando una transición abrupta cuando la separación supera el radio efectivo del excitón. Este comportamiento es indicativo de un cambio de fase no trivial y refuerza la interpretación de que el estado aislante tiene una estructura propia, a diferencia de un simple fluido desordenado.
Uno de los resultados más inesperados del experimento sugiere una respuesta térmica poco convencional, donde al aumentar la temperatura, el sistema aísla regresa a un estado superfluido, un comportamiento que contrastaría con la lógica común de que el aumento de temperatura destruye el orden. Esto indica que el estado aislante podría conservar cierta coherencia cuántica, sugiriendo la existencia de características de un sólido cuántico más que un simple aislante. Aunque los investigadores reconocen que es necesario un mayor desarrollo experimental para confirmar plenamente la naturaleza supersólida, este descubrimiento es un paso notable hacia la comprensión de las fases cuánticas y sus posibles aplicaciones en el futuro cercano, especialmente en campos como la computación cuántica.