Um superfluido congela e quebra as regras da física

Os físicos há muito se perguntam o que aconteceria se um superfluido fosse resfriado ainda mais. Apesar de décadas de esforços, essa questão permaneceu sem resposta durante quase 50 anos.

Um superfluido que para

Em uma nova pesquisa publicada na Nature, uma equipe liderada pelos físicos Cory Dean, da Universidade de Columbia, e Jia Li, da Universidade do Texas, em Austin, relata um resultado surpreendente. Eles observaram que um superfluido, que normalmente permanece em movimento constante, parou repentinamente de se mover. “Pela primeira vez, vimos um superfluido passar por uma transição de fase para se tornar o que parece ser um supersólido”, disse Dean. A mudança é comparável ao congelamento da água em gelo, mas ocorrendo no reino quântico.

O que é um supersólido?

Um sólido clássico é definido por átomos presos em uma estrutura cristalina rígida e repetitiva. Um supersólido é a versão quântica dessa ideia. Prevê-se que tenha um arranjo ordenado, semelhante a um sólido, ao mesmo tempo que retém propriedades normalmente associadas a líquidos, incluindo fluxo sem atrito. Essa combinação torna os supersólidos um dos estados da matéria mais incomuns propostos pela física.

Até agora, porém, nenhum experimento havia mostrado claramente um superfluido se transformando naturalmente em supersólido. Isto inclui o hélio e todas as outras formas conhecidas de matéria. Algumas demonstrações de laboratório imitaram supersólidos usando configurações altamente controladas criadas por físicos atômicos, moleculares e ópticos (AMO). Esses experimentos dependem de lasers e componentes ópticos para formar uma armadilha periódica que força as partículas a seguirem um padrão repetitivo, semelhante à forma como a gelatina toma forma dentro de uma bandeja de cubos de gelo.

Recorrendo ao grafeno para obter respostas

Um supersólido que se forma sozinho, sem confinamento artificial, continua sendo um dos mistérios mais debatidos na física da matéria condensada. A equipe de Dean adotou uma abordagem diferente ao trabalhar com grafeno, um material natural feito de uma única camada de átomos de carbono. O grupo incluiu Li, que conduziu o trabalho enquanto fazia pós-doutorado na Columbia, e Yihang Zeng (agora professor assistente na Purdue University), um ex-aluno de doutorado do grupo.

O grafeno pode suportar partículas conhecidas como excitons. Essas quasipartículas aparecem quando duas folhas de grafeno da espessura de um átomo são empilhadas juntas e ajustadas de modo que uma camada contenha elétrons extras, enquanto a outra contém buracos extras (que são deixados para trás quando os elétrons deixam a camada em resposta à luz). Como os elétrons carregam uma carga negativa e os buracos atuam como cargas positivas, os dois podem se unir para formar excitons. Sob um forte campo magnético, esses excitons podem se comportar coletivamente como um superfluido.

Uma mudança de fase surpreendente em um material 2D

Materiais bidimensionais como o grafeno são ferramentas poderosas para estudar o comportamento quântico porque suas propriedades podem ser cuidadosamente ajustadas. Os pesquisadores podem controlar fatores como temperatura, campos eletromagnéticos e até mesmo o espaçamento entre as camadas. À medida que a equipe de Dean ajustava esses parâmetros, eles notaram um padrão inesperado ligando a densidade do exciton e a temperatura.

Quando os excitons estavam densamente compactados, eles fluíam livremente como um superfluido. À medida que a densidade caiu, o fluxo parou completamente e o sistema tornou-se um isolante. O aumento da temperatura restaurou o comportamento superfluido. Essa sequência contraria suposições de longa data sobre como funciona a superfluidez.

“A superfluidez é geralmente considerada o estado fundamental de baixa temperatura”, disse Li. “Observar uma fase isolante que se funde em um superfluido não tem precedentes. Isso sugere fortemente que a fase de baixa temperatura é um sólido exciton altamente incomum.”

É realmente um supersólido?

Se este estado se qualifica totalmente como supersólido permanece uma questão em aberto. “Temos que especular um pouco, já que a nossa capacidade de interrogar isoladores pára um pouco”, explicou Dean – a sua experiência é em medições de transporte, e os isoladores não transportam corrente. “Por enquanto, estamos explorando os limites em torno deste estado isolante, enquanto construímos novas ferramentas para medi-lo diretamente”.

O que vem a seguir para os supersólidos

A equipe está agora investigando outros materiais em camadas que poderiam hospedar fases quânticas semelhantes. No grafeno de bicamada, o superfluido excitônico e provavelmente o supersólido só aparecem sob fortes campos magnéticos. Outros materiais são mais difíceis de fabricar nas configurações exigidas, mas podem permitir que os excitons permaneçam estáveis ​​em temperaturas mais altas e sem a necessidade de um campo magnético.

Ser capaz de controlar superfluidos em materiais bidimensionais pode ter implicações de longo alcance. Em comparação com o hélio, por exemplo, os excitons são milhares de vezes mais leves, pelo que poderiam formar estados quânticos exóticos a temperaturas muito mais elevadas. Embora os supersólidos ainda não sejam totalmente compreendidos, estas descobertas fornecem fortes evidências de que os materiais 2D desempenharão um papel central na descoberta de como funciona esta estranha fase quântica.