sábado,28 mayo 2022
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Investigación de la UAM

De sólido a líquido

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Una colaboración entre el laboratorio de bajas temperaturas de la Universidad Autónoma de Madrid, LBTUAM, el Instituto de Nanociencia de Aragón, INA (UZ) y el Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón, ICMA (CSIC), ha permitido a los científicos observar de forma directa uno de los procesos más interesantes del mundo bidimensional: el paso de sólido a líquido.

 

Los artistas, y los físicos teóricos, pueden imaginar mundos planos en los que las cosas ocurren de forma muy diferente a como suceden en nuestro mundo tridimensional. El artista crea marcos, personajes y situaciones sin más límites que los de su propia imaginación. El físico teórico trata de descubrir las leyes con las que una naturaleza bidimensional funciona. El físico experimental fabrica un sistema que se aproxime a la bidimensionalidad para hacer los experimentos que den jaque mate a los equívocos y marquen los límites de la realidad física.

Todos hemos comprobado cómo un trozo de hielo recién sacado del congelador, a -18 ºC, permanece sólido mientras aumenta su temperatura hasta alcanzar 0 ºC, temperatura que se mantiene hasta que todo el hielo se convierte en líquido. A escala de los átomos, la fusión se asemeja a una catástrofe. En el hielo las moléculas de agua están formando un edificio cristalino, en el que la estructura geométrica formada por unas pocas moléculas se repite, idénticamente, en grandes distancias; durante la fusión todas esas estructuras colapsan, y las moléculas adquieren un movimiento individual. En dos dimensiones la teoría predice un comportamiento muy distinto. Las cosas no son tan bruscas como en nuestro mundo, sino que la fusión se realiza, de forma escalonada, en un intervalo finito de temperatura. Físicos de laboratorios españoles dirigidos por Sebastián Vieira (UAM) y Ricardo Ibarra (UZ) han observado este proceso, con un detalle sin precedente, en un sólido bidimensional, un tanto singular, que se forma en películas muy finas de materiales superconductores cuando se aplica un campo magnético perpendicular a su superficie. En esas condiciones, el campo atraviesa la película en forma de una especie de remolinos idénticos, de naturaleza puramente cuántica y de dimensiones nanoscópicas, denominados vórtices, que se distribuyen formando, en el caso ideal, una red triangular. Inhomogeneidades en la composición, y otras imperfecciones que existan en la película producen distorsiones en la red y en el comportamiento individual de los vórtices. Controlar dicho comportamiento ante los cambios de intensidad del campo, de la temperatura, o cuando circula una corriente por el superconductor, es muy importante tanto desde el punto de vista fundamental, como del de las aplicaciones.

El trabajo de la doctora Isabel Guillamón (UAM) y colaboradores, tiene, por lo tanto, un doble alcance: aporta claves al fenómeno físico de la fusión bidimensional, y, de otra parte, al de la física de los vórtices en los superconductores.

Señalemos que el campo de las aplicaciones de los superconductores, unos materiales que conducen la corriente eléctrica sin pérdidas, es muy amplio, y está dando sus primeros pasos importantes. Desde el transporte de energía y su almacenamiento, hasta medidas ultra precisas de campos magnéticos en el cerebro, u otras aplicaciones médicas como la resonancia magnética nuclear, la superconductividad se adentra cada vez más en el mundo industrial. Es un fenómeno que necesita, para mostrarse, del enfriamiento a temperaturas cercanas al cero absoluto. Se ha argumentado a menudo que es poco económico usar dispositivos que necesiten del frío. Nada más lejos de la realidad. Nuestro futuro pasa por la tecnología del frío. Expertos del Instituto Internacional del Frío, entre los que se encuentra el Dr. Hermann Suderow (UAM), uno de los firmantes de este trabajo, señalan que durante la última década se ha producido una auténtica revolución tecnológica alrededor de las bajas temperaturas. Hoy en día, para llegar a unas milésimas de Kelvin por encima del cero absoluto, tan solo hace falta el mismo espacio que ocupa un frigorífico en nuestras casas, con un consumo eléctrico similar.

Las muestras, cuyo componente fundamental es el wolframio, se fabricaron y caracterizaron por el grupo aragonés, utilizando una técnica novedosa basada en el uso de microscopias avanzadas disponibles en el INA, que permite crear estructuras de dimensiones nanoscópicas, con un alto control de la configuración deseada. Para ello y bajo la supervisión del Dr. José María de Teresa (CSIC), se usó un microscopio que mediante la utilización de haces combinados de iones y electrones permite a partir de gases precursores depositar un material con características notables, en particular que el material es amorfo y presenta una superficie muy estable y poco rugosa.

Se comprobó que las películas eran superconductoras a temperaturas próximas a la de ebullición del helio líquido, y que permanecían estables en condiciones ambientes. Ello hizo pensar a los científicos del INA e ICMA en la posible utilidad de este material en el desarrollo de una nanoelectrónica superconductora, por lo que contactaron con el LBTUAM para que estudiasen las propiedades fundamentales de su estado superconductor mediante las técnicas de microscopía y espectroscopía túnel de barrido, en las que dicho laboratorio ha adquirido un alto reconocimiento internacional.

Digamos, incidentalmente, que, tal como reconocen estos científicos, gran parte del mérito en el desarrollo de su instrumentación recae en un pequeño grupo de ingenieros y técnicos superiores que trabajan en los servicios generales de apoyo a la investigación experimental de la UAM. Y es que los físicos necesitan expertos en mecánica, criogenia, electrónica o soldadura, que dominen las técnicas más modernas. Estos profesionales son los que consiguen plasmar ideas en instrumentos útiles. Son auténticos artesanos de la Física, y, desafortunadamente, no son siempre valorados, comprendidos, y estimulados como se merecen.

Los primeros estudios mostraron un comportamiento superconductor uniforme a escala nanométrica; además, se visualizó el comportamiento de la red de vórtices a muy bajas temperaturas. Este conjunto de resultados se publicó en la revista New Journal of Physics, y el artículo fue destacado como uno de los trabajos europeos del mes en la revista Europhysics News, que distribuye mensualmente la Sociedad Europea de Física.

Tras estos estudios, los científicos involucrados se percataron de que, dado el espesor de la película y las longitudes características superconductoras del material, la red de vórtices podía considerarse bidimensional, por lo que se decidió estudiarla en detalle. Se formaron los cristales de vórtices a muy bajas temperaturas a distintos campos magnéticos, ya que la densidad de vórtices aumenta con la intensidad del campo, y se estudió el comportamiento de la red al subir la temperatura. Así se pudieron obtener secuencias de imágenes en tiempo real, en las que se observó la formación de la red triangular y cómo surgían en ella los defectos, predichos por la teoría, que dan paso a una fase líquida intermedia, denominada fase hexática. Sorprendentemente una nueva fase con cierta semejanza a la fase esméctica de los cristales líquidos se hizo evidente antes de la formación de un líquido isótropo de vórtices. Estos resultados, que han sido publicados en Nature Physics, y comentados en Physics Today, van más allá de la física de un sistema concreto y aportan claves para la comprensión de un fenómeno físico relevante para otros campos de la ciencia, tales como el de las membranas lipídicas celulares y el de los cristales líquidos, entre otros. Conectando con el comienzo podríamos aconsejar a los artistas que tratan de crear su particular mundo bidimensional, que pasen a través del espejo y comprueben lo imaginativa que puede ser la realidad.

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