Quando a matéria cotidiana esfria, ela segue um caminho familiar. Um gás se transforma em líquido e, à medida que esfria ainda mais, esse líquido se solidifica. A matéria quântica nem sempre obedece a esta regra. Há mais de um século, os cientistas descobriram que o hélio se comporta de forma inesperada em temperaturas extremamente baixas. Em vez de congelar, ele se transforma de um gás comum em um superfluido, um estado raro da matéria que flui sem resistência e apresenta um comportamento estranho, inclusive subindo pelas laterais do recipiente.
Os físicos há muito se perguntam o que acontece quando um superfluido é ainda mais resfriado. Apesar de décadas de esforços, esta questão permaneceu sem resposta durante quase 50 anos.
Um superfluido que para
Em uma nova pesquisa publicada na Nature, uma equipe liderada pelo físico Cory Dean, da Universidade Columbia, e Jia Li, da Universidade do Texas, em Austin, relata um resultado interessante. Eles observaram um superfluido, que normalmente está em velocidade constante, parar de se mover repentinamente. “Pela primeira vez, vimos um superfluido se transformar em uma fase que parece ser supersólida”, disse Dean. A mudança é comparável ao congelamento da água, mas ocorre no estado 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 deste conceito. Prevê-se que tenha uma estrutura ordenada e sólida, mantendo as propriedades normalmente associadas a fluidos com fluxo sem atrito. Essa combinação torna o supersólido um dos estados da matéria mais incomuns propostos pela física.
Até agora, porém, nenhum experimento mostrou claramente que um superfluido se transforma naturalmente em supersólido. Isto inclui o hélio e todas as outras formas conhecidas de matéria. Alguns laboratórios simularam supersólidos usando configurações altamente controladas desenvolvidas por físicos de demonstração atômica, molecular e óptica (AMO). Esses experimentos dependem de lasers e componentes ópticos para criar uma armadilha periódica que força as partículas a um padrão repetitivo, como a formação de gelatina em uma bandeja de cubos de gelo.
Recorra ao grafeno para obter respostas
Um supersólido que se forma sem confinamento artificial continua sendo um dos mistérios mais controversos da física da matéria condensada. A equipe de Dean adotou uma abordagem diferente ao trabalhar com grafeno, um material natural feito de camadas únicas de átomos de carbono. O grupo incluiu Li, que conduziu o trabalho enquanto fazia pós-doutorado na Columbia, e Yihang Zheng, um ex-aluno de doutorado do grupo (agora professor assistente na Purdue University).
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 tenha elétrons extras e a outra tenha 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 ligado à densidade e temperatura do exciton.
Quando os excitons estão densamente compactados, eles fluem livremente como um superfluido. À medida que a densidade diminui, o fluxo para completamente e o sistema torna-se um isolante. O aumento da temperatura restaura o comportamento superfluido. Esta sequência vai contra suposições de longa data sobre como funciona a superfluidez.
“A superfluidez é geralmente considerada o estado fundamental de baixa temperatura”, disse Lee. “Observar uma fase isolante que derrete em um superfluido não tem precedentes. Isso sugere fortemente que a fase de baixa temperatura é um sólido excitável altamente incomum.”
É realmente um supersólido?
Se este estado se qualifica totalmente como supersólido permanece uma questão em aberto. “Ficamos com algumas suposições, porque a nossa capacidade de interrogar os isoladores é um tanto limitada”, explicou Dean – a sua capacidade é medir o transporte, e os isoladores não transportam corrente. “Por enquanto, estamos explorando os limites em torno deste estado isolante, enquanto desenvolvemos novas ferramentas para medi-lo diretamente”.
O que vem a seguir para Supersolid
A equipe está agora investigando outros materiais em camadas que podem hospedar fases quânticas semelhantes. No grafeno de bicamada, superfluidos excitônicos e possivelmente supersólidos aparecem apenas sob fortes campos magnéticos. Outros materiais são difíceis de fabricar na configuração necessária, mas permitem que os excitons permaneçam estáveis a altas temperaturas e sem a necessidade de um campo magnético.
Ser capaz de controlar superfluidos em materiais bidimensionais pode ter implicações de longo alcance. Comparados ao hélio, por exemplo, os excitons são milhares de vezes mais leves, por isso podem formar estados quânticos externos a temperaturas muito mais altas. Embora os supersólidos ainda não sejam totalmente compreendidos, estes resultados fornecem fortes evidências de que os materiais 2D desempenharão um papel central na desvendação de como funciona esta estranha fase quântica.
