Zurrunbilo mikroskopikoen behaketa berriek materiaren fase paradoxiko bat dagoela baieztatu dute, eta neutroi izarren barruan ere sor daiteke.
Alpe austriarretako tontor malkartsuen artean dagoen laborategi batean, lur arraroetako metalak lurrundu eta labe batetik irteten dira, borroka hegazkin baten abiaduran. Gero, laserren eta pultsu magnetikoen konbinazio batek gasa ia gelditu arte geldiarazten du, espazioaren sakontasuna baino hotzago bihurtuz. Gasaren 50.000 atomo inguruk nortasun guztia galtzen dute eta egoera bakar batean batzen dira. Azkenik, inguruneko eremu magnetikoaren biraketa batekin, tornado txikiek bizia hartzen dute eta iluntasunean birak ematen dituzte.
Supersolido bat birarazten denean, bat-bateko zurrunbiloak sortzen dira. Bideoa: Ibrahim Rayintakath eta Rui Braz Quanta Magazine aldizkariarentzat.
Hiru urtez, Francesca Ferlaino fisikariak eta Innsbruckeko Unibertsitateko bere taldeak lan egin dute zurrunbilo horien irudiak eskala kuantikoan lortzeko. “Jende askok esan zidan hori ezinezkoa izango zela”, kontatu zuen Ferlainok uda honetan bere laborategira egindako bisita batean. “Baina ziur nengoen lortuko genuela”.
Orain, Nature aldizkarian argitaratutako artikulu batean, zurrunbiloen argazkiak argitaratu dituzte, supersolido izenez ezagutzen den materiaren fase exotiko batean luzaroan bilatutako seinalea baieztatuz.
Supersolidoak, materiaren fase paradoxikoak, aldi berean solidoen artean zurrunena eta fluidoen artean jariakorrena denak, materia kondentsatuaren fisikariak liluratu ditu 1957an iragarri zenetik. Fase horren zantzuak handituz joan ziren, baina esperimentu berriak bere existentziaren ebidentziaren azken pieza garrantzitsua ziurtatzen du. Egileen ustez, supersolidoetan sortzen diren zurrunbiloek propietateak azaltzen lagun dezakete sistema anitzetan, tenperatura altuko supereroaleetatik hasi eta gorputz astronomikoetaraino.
Zurrunbiloek unibertsoko baldintza muturrekoenetako batzuetan materiaren portaera erakuts lezakete. Pulsarrek, neutroi izar birakariek (erretako izarren gorpu izugarri trinkoak), barrualde supersolidoak dituztela susmatzen da. “Egia esan, sistema analogoa da eta oso ona da” neutroi izarrentzat, azaldu du izar horietan aditua den Royal Hollowayko (Londresko Unibertsitatea, Erresuma Batua) Vanessa Graber fisikariak. “Oso emozionatuta nago horrekin”.
Zurruna eta jariakorra
Imajina ezazu hainbat materiaz betetako ontzi bat birarazten duzula. Solido batek birak emango ditu ontziarekin batera, ontziaren eta materialaren atomo sare zurrunaren arteko marruskaduraren ondorioz. Likido batek, bestalde, barne marruskadura gutxiago duenez, zurrunbilo handi bat sortuko du ontziaren erdian (kanpoko atomoek ontziarekin biratzen dute, eta barrukoak, aldiz, atzean geratzen dira).
Likido batzuk behar adina hozten eta sakabanatzen badira, atomoak interakzioa izaten hasten dira distantzia handiagoetan zehar, eta olatu erraldoi batean elkartzen dira. Olatu hori jariakorra da, inolako marruskadurarik gabe. Superfluido izenez ezagutzen direnak Errusiako eta Kanadako fisikariek 1937an deskubritu zituzten lehen aldiz, helioan.
Saiatu superfluidoz betetako ontzia birarazten, eta superfluido hori geldirik egongo da, baita ontziak haren inguruan birak ematen dituenean ere. Superfluidoak kuboa ukitzen jarraitzen du, baina materiala erabat iragazgaitza da marruskadurarekiko, ontzia biraketa abiadura jakin batera iritsi arte. Puntu horretan, biratzeko bulkadari aurre egitean, superfluidoak bat-batean zurrunbilo kuantiko bakarra sortzen du: atomo zurrunbilo bat, ondoaren hondoraino hedatzen den ezeren zutabe bat inguratzen duena. Ontzia azkartzen jarraituko du, eta tornado perfektu gehiago ertzetik irristatuko dira.
Superfluidoak aurkitu eta hogei urtera, Eugene Gross fisikari estatubatuarrak iradoki zuen kolektibismo kuantiko bera sor zitekeela solidoetan. Fisikariek hainbat hamarkadatan eztabaidatu zuten superfluido eta solido hibrido hori existitu ote zitekeen. Azkenik, supersolidoaren irudi teoriko bat sortu zen. Eremu magnetikoa superfluido baten inguruan doitzean, atomoen arteko aldaratzea murritz daiteke, horrela, elkartzen has daitezen. Pikor horiek guztiak eremu magnetikoarekin lerrokatuko dira, baina elkarrengandik aldenduko dira, eta kristal eredu batean antolatuko dira, eta beren portaera arraroa mantenduko dute marruskadurarik gabe.
Ontzi birakari batean supersolido bat jartzen bada, atomoak sinkronian mugituko dira; hala, pikorren sareak ontziarekin biratzen duela dirudi, solido bat bezala. Baina superfluido bat bezala, behar bezain azkar biratzean, materiala zurrunbilotan hautsiko da, eta atomo pikorren artean harrapatuta geratuko dira. Supersolidoa zurruna eta jariakorra izango da aldi berean.
Grossen iragarpenak laborategian supersolidoen bilaketa luze bati hasiera eman zion.
Ikertzaileek 2004an lehen aldiz aurkikuntza bat iragarri zuten, baina gero atzera egin zuten. 2017an eta 2019an aktibitate eztanda berriak gertatu ziren, Stuttgart, Florentzia eta Innsbruckeko taldeek supersolidotasunaren seinaleak aurkitu zituztenean dimentsio bakarreko sistemetan. Taldeak disprosio eta erbio atomoen gasekin hasi ziren, eta horiek barrako iman txiki gisa jarduteko bezain magnetikoak dira. Eremu magnetiko bat aplikatzearen ondorioz, atomoak modu naturalean taldekatzen dira, erregulartasunez banatutako taldeetan, kristal sare bat osatuz. Gero, ikertzaileek tenperatura eta dentsitatea murriztu zituztenean, atomoen arteko elkarrekintzek modu naturalean uhin koherente bat bezala oszilatzea eragin zuten, superfluido baten ezaugarri guztiekin.
2019ko esperimentuek supersolidoaren “bi izaerak lehian” ikusi zituzten, Elena Poli Innsbruckeko taldeko graduondoko ikasleak azaldu duenez. Ordutik, taldeak bere ustezko supersolidoa dimentsio batetik bi dimentsiora hedatu du, eta ikertu egin du aurresandako propietate desberdinak detektatzeko.
Baina “funtsean, supersolidoen ebidentzia ukaezina falta zen”, dio Jens Hertkornek, Massachusettseko Institutu Teknologikoko fisikari eta Stuttgarteko taldeko kide ohiak. Superjariakortasunaren zigilu bereizgarria errotazioan sortzen diren zurrunbiloen segida da. Urteetako saiakerak gorabehera, “inork ez zuen lortu supersolido bat arrakastaz biraraztea”, dio Hertkornek.
Supersolido bat biratzen
Bere supersolidoak errotazioari nola erantzuten dion ikusteko, Innsbruckeko taldeak eremu magnetiko bat erabili zuen, koilara bat balitz bezala, atomoen barneko eremu magnetikoak segundoko 50 bat aldiz kentzeko. Hori zurrunbiloak sortzeko bezain azkarra da, baina fase kuantikoa zaintzeko bezain leuna. «Oso-oso egoera delikatua da: edozein aldaketa txikik suntsitu egingo luke», azaldu du Ferlainok.
Zikloi txiki horiek detektatzea erronka handia izan zen. Taldeak hiru urte eman zituen ekaitz kuantikoen atzetik. Azkenik, Alessio Recati Trentoko Unibertsitateko fisikariaren 2022ko proposamena gauzatu zuten. Fase supersolidoan zurrunbiloak sortzea iradokitzen zuen, eta, ondoren, materiala berriro superfluido batean urtzea, kontraste handiagoko zurrunbiloen irudiak lortzeko.
Ostiral gau batean, joan den urtearen hasieran, graduondoko hiru ikasle pub ilun batean sartu ziren Innsbruckeko campusetik gertu, ordenagailu eramangarri bat eskuan zutela. Taldeko bi doktoratu ondokoren bila zebiltzan, zeintzuek egiaztatu baitzuten tornado bat harrapatu zutela gas kuantikoan. “Guztiz emozionantea izan zen”, kontatu du Thomas Bland doktoratu ondokoetako batek. Graduondoko ikasleak laborategira itzuli ziren, eta Bland eta bere kidea ospakizun erronda baterako geratu ziren.
“Denok uste dugu zurrunbilo kuantikoa dela”, dio Recatik, zeinak ez zuen esperimentuan parte hartu. Ikertzaileek tornadoen errotazio abiadura neurtu zain dago iragarpen teorikoak erabat baieztatzeko, baina irudiak, berez, balioztatze egokia dira, baieztatu duen arabera. “Oso garrantzitsua da komunitate fisiko osoarentzat”.
Hertkornek beste talde batzuek emaitzak errepikatzea nahi du, eta seinaleak baldintza esperimental desberdinetan nola aldatzen diren ikusteko jarraipena egitea. Hala ere, Innsbruckeko taldea goraipatu du, hain neurketa zaila egitean izandako iraunkortasunagatik. “Benetan ikaragarria da, ikuspuntu esperimentaletik, hori behagarria izatea”, ondorioztatu du.
Konexio kosmikoak
Joan den maiatzean, Ezequiel Zubietak, Buenos Aires kanpoaldeko herri txiki batean erregositako bat jaten ari zela, hildako izar bat dardarka ikusi zuen ordenagailu eramangarriaren pantailan. Zubieta, La Platako Unibertsitate Nazionaleko astronomiako graduondoko ikaslea, Vela pulsarraren (11.000 urte inguru lehertu zen izar masibo baten soberakin magnetizatua) errotazio izugarri egonkorra jarraitzen egon zen.
Biraka dagoela, Velak Lurrean distiratzen duten erradiazio izpiak igortzen ditu bere poloetatik, segundoko 11 aldiz, gizakiek eraiki ditzaketen erloju onenekin lehiatzen den erregulartasunarekin. Baina egun hartan, izarrak bira eman zuen ohi baino segundoko 2,4 mila milioiren azkarrago.
NASAren Chandra X izpien behatokiaren film batek Vela pulsarretik (Lurretik 1.000 argi urtera dagoen neutroi izarra, segundoko 11 aldiz biratzen duena) ziztu bizian ateratzen den partikula zorrotada erakusten du. Arku formako formak izarretik urruntzen diren materia uhin hedakorrak direla uste da. (Bideoa: NASA/CXC/Torontoko Unibertsitatea/M. Durant et al. Iturria: Quanta Magazine)
Zenbait hamarkadatan zehar, astronomoek galdetu dute zerk eragin dezakeen objektu masibo horiek bat-batean beren errotazioa azkartzea. Askok espero dute pulsarren akats tekniko horiek lagungarri izatea faro kosmiko berezi horien barne funtzionamendua deszifratzeko.
Zientzialariek badakite izar gorpuak neutroiz beteta daudela (neutroi izar baten koilarakada txiki batek Everest mendiak adina pisatuko luke). Inor ez dago ziur zer gertatzen zaien neutroiei baldintza horietan, baina astronomoek susmatzen dute izarraren kanpoko azal solidoaren azpiko geruza batean neutroi presurizatuek ezohiko formak hartzen dituzten pikorrak eratzen dituztela, eta horri sarritan “pasta nuklear” esaten zaio. Eredu nagusiek gnocchien, espagetien eta lasagnaren antzeko faseak dituzte.
2022an egindako konferentzia batean, Ferlainok astronomo batzuk entzun zituen pasta nuklearraren ustezko ezaugarriei buruz hitz egiten. Askok uste dute neutroi-pikorrak, pastaren antzekoak, fusionatu egingo liratekeela superfluido bat osatzeko, baina ez dago argi material horrek akats teknikoak nola eragin ditzakeen. Ferlainok susmatu zuen horiek bere laborategian prestatzen aritu zen supersolidoen seinale izan zitezkeela eta, horregatik, ikertzea erabaki zuen.
Iaz, bere taldeak supersolidoaren ordenagailu bidezko simulazio bat erabili zuen, neutroi birakariko izar baten barruan antzeko material bat balego zer gertatuko litzatekeena modelatzeko. Ikusi zuten, zurrunbiloak sortu ondoren, horietako bat askatu eta aldamenekoarekin talka egin zitekeela, eta horrek tornado bat eta olde bat sortzen ditu, eta haren energia edukiontzira transferitzen dute. Proposatu zutenez, tornadoen talka kopuru handi batek neutroi izarraren errotazioa azkartu lezake laburki, eta horrek akats tekniko bat eragingo luke.
Graberrek neutroi izarrentzako laborategiko analogoen berrikuspena argitaratu zuen urte batzuk lehenago, eta emozionatu egin zen artikulua aurkitzean. Gogoratu du “Ene Jainkoa, bada hor erabil dezakedan beste zerbait!” pentsatu zuela artikuluan deskribatutako supersolido birakarien propietateen inguruan. “Testua irakurrita bakarrik, pentsatu nuen: ‘Hau da daukadana, hau da daukadana, eta hau da daukadana’”.
Ferlainoren taldeak bere supersolidoan zurrunbiloak identifikatu ditu, eta orain asmoa da tornadoak nola sortzen, migratzen eta desagertzen diren ikertzea. Pulsarren akats teknikoen ustezko mekanismoa ere erreplikatu nahi dute, zurrunbilo olde batek mundu errealeko supersolido batek biraketa azkartzea nola eragin dezakeen erakusteko. Fisikariek ere espero dute azterketa horiek materiaren beste fase exotiko batzuk deszifratzeko erabiltzea. Fase horietan, zurrunbiloek funtsezko eginkizuna betetzea espero da, tenperatura altuko supereroaleetan, esaterako.
Bien bitartean, zenbait astronomok, esaterako Graber eta Zubietak, espero dute lan honi esker pulsarrak diagnostikatzeko tresna berri bat garatzea. Zurrunbiloen dinamika hobeto ulertuz gero, pulsarren akats teknikoen behaketak erabil litezke pasta nuklearraren konposizioa eta portaera ondorioztatzeko.
“Fisika horrek eskala txikian nola funtzionatzen duen ulertzen badugu, hori benetan baliotsua da guretzat”, dio Graberrek. “Ezin dut teleskopio bat erabili eta neutroi izar baten azalaren barruan begiratu, baina haiek, funtsean, informazio hori dute”.
Ferlainoren taldea supersendotasuna izan dezaketen beste sistema batzuen bila ari da, eta aplikazioak naturaren funtsezko konektagarritasunaren isla gisa ikusten ditu. “Fisika unibertsala da”, dio, eta “jokoaren arauak ikasten ari gara”.
Jatorrizko artikulua:
Zack Savitsky (2024). Physicists Spot Quantum Tornadoes Twirling in a ‘Supersolid’, Quanta Magazine, 2024ko azaroaren 6a. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.