Um superflúido congela e quebra as regras da física
Quando a matéria cotidiana é resfriada, segue um caminho familiar. Um gás se torna um líquido, e com um resfriamento adicional, esse líquido se transforma em um sólido. A matéria quântica não segue sempre essas regras. Há mais de um século, os cientistas descobriram que o hélio se comporta de maneira inesperada em temperaturas extremamente baixas. Em vez de congelar, ele se transforma de um gás normal em um superfluído, um estado raro da matéria que flui sem resistência e exibe comportamentos estranhos, incluindo a capacidade de subir pelas paredes dos recipientes.
Os físicos há muito se perguntam o que aconteceria se um superfluído fosse resfriado ainda mais. Apesar de décadas de esforços, essa pergunta permaneceu sem resposta por quase 50 anos.
Um Superfluído 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 impressionante. Eles observaram um superfluído, que normalmente permanece em movimento constante, parar de se mover. “Pela primeira vez, vimos um superfluído passar por uma transição de fase para se tornar o que parece ser um supersólido”, disse Dean. A mudança é comparável à água congelando 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. Ele é previsto para ter uma disposição ordenada, semelhante a um sólido, enquanto também retém propriedades normalmente associadas a líquidos, incluindo fluxo sem atrito. Essa combinação torna os supersólidos um dos estados mais incomuns da matéria propostos pela física.
Até agora, no entanto, nenhum experimento havia mostrado claramente um superfluído se transformando naturalmente em um supersólido. Isso inclui hélio e todas as outras formas conhecidas da matéria. Algumas demonstrações em laboratório imitaram supersólidos utilizando arranjos altamente controlados criados por físicos de átomos, moléculas e ópticos (AMO). Esses experimentos dependem de lasers e componentes ópticos para formar uma armadilha periódica que força as partículas a entrar em um padrão repetitivo, semelhante a como a gelatina toma forma dentro de um molde de gelo.
Recorrendo ao Grafeno em Busca de Respostas
Um supersólido que se forma por conta própria, sem confinamento artificial, tem permanecido como um dos mistérios mais debatidos na física da matéria condensada. A equipe de Dean adotou uma abordagem diferente, trabalhando com grafeno, um material que ocorre naturalmente formado por uma única camada de átomos de carbono. O grupo incluiu Li, que conduziu o trabalho enquanto era pós-doutorando em Columbia, e Yihang Zeng (agora professor assistente na Universidade de Purdue), um ex-aluno de doutorado do grupo.
O grafeno pode suportar partículas conhecidas como excitons. Esses quasipartículas surgem quando duas folhas de grafeno com espessura atômica são empilhadas e ajustadas de modo que uma camada contenha elétrons em excesso enquanto a outra contenha buracos (que são deixados para trás quando elétrons saem da 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 superfluído.
Uma Mudança de Fase Surpreendente em um Material 2D
Materiais bidimensionais como o grafeno são ferramentas poderosas para estudar o comportamento quântico, pois suas propriedades podem ser ajustadas com cuidado. 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, notaram um padrão inesperado ligando a densidade de excitons e a temperatura.
Quando os excitons estavam densamente empacotados, eles fluíam livremente como um superfluído. À medida que a densidade diminuía, o fluxo parava completamente, e o sistema se tornava um isolante. Aumentar a temperatura restaurava o comportamento superfluido. Essa sequência vai contra suposições de longa data sobre como a superfluidez funciona.
“A superfluidez é geralmente considerada o estado fundamental de baixa temperatura”, disse Li. “Observar uma fase isolante que derrete em um superfluído é sem precedentes. Isso sugere fortemente que a fase de baixa temperatura é um sólido de excitons altamente incomum.”
É Verdadeiramente um Supersólido?
Se esse estado realmente se qualifica como um supersólido é uma questão em aberto. “Ficamos um pouco especulativos, já que nossa capacidade de investigar isolantes é limitada”, explicou Dean — sua experiência está em medições de transporte, e isolantes não transportam uma 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 agora está investigando outros materiais em camadas que podem hospedar fases quânticas semelhantes. No grafeno bilayer, o superfluído excitônico e provavelmente o supersólido só aparecem sob fortes campos magnéticos. Outros materiais são mais difíceis de fabricar nas configurações necessárias, mas podem permitir que 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. Comparado ao hélio, por exemplo, os excitons são milhares de vezes mais leves, podendo formar estados quânticos exóticos em temperaturas muito mais altas. Embora os supersólidos ainda não sejam totalmente compreendidos, essas descobertas fornecem evidências fortes de que materiais 2D desempenharão um papel central na descoberta de como esse estranho fase quântica funciona.
