Un nuevo estado de la materia

Algunas madrugadas de primavera el vapor de agua de la atmósfera se condensa. como rocío sobre las flores. En los fríos días 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 científicos desde la época de los sabios de Grecia hasta nuestros días.En el año 1972, los profesores de fÍsica 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 anisótropa. Realizaban experimentos a muy bajas temperaturas, de pocas milésimas de grado por encima del cero absoluto, el cero KeIvin, con un aparato construido por ellos. En la celda experimental había una mezcla de helio-3 líquido y helio-3 sólido, como en un vaso de agua con hielo.

Para investigar las propiedades magnéticas del sólido, medían la variación de la presión con la temperatura en la mezcla de líquido y sólido. La primera vez que observaron unos saltitos en la presión de la mezcla lo atribuyeron a alguna transición de fase en sólido. Tras las oportunas verificaciones y discusiones, llegaron a la conclusión de que habían observado por primera vez algo mucho más importante, un nuevo estado de la naturaleza, hasta cierto punto creado por ellos.. El descubrimiento desbordó con creces las expectativas de estos investigadores.

Desde principios de siglo, la física experimental de bajas temperaturas ha deparado grandes sorpresas a nuestra concepción del mundo. El holandés Kammerlingh Onnes (Nobel 1913) consiguió la obtención de helio líquido a unos cuatro grados KeIvin. El ruso Piotr Kapitza (Nobel 1978) descubrió a finales de la década de los treinta la superfluidez en el helio líquido. Otro ruso, Lev Landau (Nobel 1962) explicó teóricamente las bases de la superfluidez.

En las estrellas

¿Qué es el helio y qué es la superfluidez? El helio es un elemento químico muy ligero; el segundo de la tabla periódica, que forma parte en pequeñas proporciones de la atmósfera, y es muy abundante en el Sol y en todas las estrellas. Se hace líquido sólo a temperaturas muy bajas. A temperaturas aún más bajas (unos dos Kelvin) el líquido 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 hidrodinámica, trepa sin contención por las paredes y los capilares, y se introduce por orificios tan pequeños por los que no pasa ni un gas. Estas propiedades no se pueden explicar con la física clásica. Es necesaria la física moderna, la física cuántica. Por eso al helio superfluido se le llama un líquido cuántico. Gran parte de los fenómenos cuánticos se manifiestan a escala microscópica o atómica. Sin embargo, el flujo continuo del helio líquido subiendo por un capilar y saltando como el agua de una fuente se puede ver a simple vista. Por eso, a este tipo de fenómenos les llamamos efectos cuánticos macroscópicos.

La superfluidez del helio guarda una relación muy estrecha con la superconductividad que presentan los metales, también a temperaturas próximas a cero Kelvin. En este caso son los electrones los que pierden toda oposición a su movimiento y, por tanto, al transporte de carga eléctrica, y esos metales superconductores pasan a tener resistencia eléctrica nula. Los estadounidenses John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer (Nobeles 1972) explicaron el origen de este comportamiento imprevisto y extraordinario. El danés Ivar Giaever y el británico Brian Josephson (Nobeles 1973), entre otros, encontraron aplicaciones de alta tecnología a estos fenómenos. Éstos son, someramente, los antecedentes. ¿Qué descubrieron entonces los premios Nobel de este año? El elemento helio tiene dos isótopos o variedades estables, con las mismas propiedades químicas. El helio-4, mucho más abundante y al que se refieren todas las consideraciones anteriores, y el helio-3, cuya corteza de electrones es igual, pero que tiene un neutrón menos en su núcleo. En lugar de dos protones y dos neutrones, tiene dos protones y un neutrón.

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 pacíficas. De acuerdo con la física clásica, los dos isótopos deberían tener propiedades parecidas, aparte de su distinta masa. Sin embargo, algunos átomos tienen un momento magnético; son como diminutos imanes. El helio-4 no es magnético, pero el helio-3 sí lo es debido a ese neutrón que le falta en el núcleo. Por eso, de acuerdo con la mecánica cuántica, el líquido de helio-3 es muy distinto del líquido de helio-4. La superfluidez del hello-4 es isótropa. Como en un líquido normal, se ve igual desde cualquier dirección. Se debe a un fenómeno predicho por Einstein (Nobel 1921) y por el físico indio Bose: que con una energía (temperatura) suficientemente pequeña todos los átomos se fusionan en el mismo estado cuántico y se mueven colectivamente, perdiendo su individualidad.

En el caso del helio-3, debido a su carácter magnético, este fenómeno no se produce de manera simple. Pero la naturaleza ha encontrado un procedimiento mediante el cual se forman parejas de átomos para anular sus propiedades magnéticas. Estas parejas, que ya no tienen fuerza magnética, son capaces de fundirse en ese estado colectivo que produce la superfluidez. El mecanismo es análogo 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 anisótropo. Es decir, su aspecto es distinto desde distintos ángulos. Las parejas de helio-3 superfluido giran como en un baile, creando estructuras complicadas, que incluso dan lugar a tres clases distintas de líquido. La inmensa y bellísima variedad de comportamientos de estos estados de la naturaleza ha sido explicada teóricamente, sobre todo por el británico Anthony Leggett. El francés de Gennes (Nobel 1991) ha estudiado sus semejanzas con los cristales líquidos, de amplia utilización.

Hasta principios del siglo XX los físicos pensaban que, al bajar la temperatura (energía) hasta el cero absoluto, cesaría todo movimiento, incluso el de los átomos y los electrones. Con la mecánica cuántica, durante las tres primeras décadas del siglo, se hizo patente que los electrones, y aun los átomos, conservan un movimiento básico, del que no se les puede privar. Estos descubrimientos de la década de los setenta, premiados ahora con el Nobel, demuestran que no sólo los átomos mantienen su vibración en las proximidades del cero absoluto de temperatura, sino que también pueden mantener flujos colectivos de trillones de átomos. Podríamos preguntarnos qué aplicaciones tienen estos descubrimientos. De momento sólo se puede pensar en una, a mi juicio la más importante: ensanchar los límites de nuestro conocimiento de la naturaleza.

Raúl Villar es catedrático de Física de la Materia Condensada y rector de la Universidad Autónoma de Madrid.