Um superfluido congela e desafia as leis da física

Os físicos há muito se perguntam o que aconteceria se um superfluido fosse resfriado ainda mais. Apesar de décadas de esforço, essa questão permaneceu sem resposta por 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 um superfluido, que normalmente permanece em movimento constante, parar de repente. “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 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. É previsto que tenha uma disposição ordenada, semelhante a um sólido, enquanto 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, no entanto, nenhum experimento havia mostrado claramente um superfluido se transformando naturalmente em um supersólido. Isso inclui o hélio e todas as outras formas conhecidas de matéria. Algumas demonstrações em laboratório simularam 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 entrar em um padrão repetitivo, semelhante a como a gelatina toma forma dentro de uma bandeja de gelo.

Buscando Respostas no Grafeno

Um supersólido que se forma por conta própria, sem confinamento artificial, permaneceu 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 e é composto por uma única camada de átomos de carbono. O grupo incluía Li, que conduziu o trabalho enquanto era pós-doutorando na 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 aparecem quando duas folhas de grafeno de espessura atômica são empilhadas e ajustadas de modo que uma camada contenha elétrons extras enquanto a outra contém buracos extras (que são deixados para trás quando os 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 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 ajustadas com precisão. Os pesquisadores podem controlar fatores como temperatura, campos eletromagnéticos e até mesmo o espaçamento entre camadas. À medida que a equipe de Dean ajustava esses parâmetros, eles notaram um padrão inesperado ligando a densidade de excitons e a temperatura.

Quando os excitons estavam densamente empacotados, eles fluíam livremente como um superfluido. 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 contraria suposições de longa data sobre como a superfluidez funciona.

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

É Realmente um Supersólido?

Se este estado se qualifica completamente como um supersólido permanece uma questão em aberto. “Ficamos um pouco especulativos, já que nossa capacidade de investigar isolantes para”, explicou Dean — sua experiência está em medições de transporte, e isolantes não transportam uma corrente. “Por enquanto, estamos explorando os limites ao redor 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 poderiam hospedar fases quânticas semelhantes. No grafeno em bilayer, o superfluido excitônico e o provável supersólido aparecem apenas sob campos magnéticos fortes. Outros materiais são mais difíceis de fabricar nas configurações necessárias, 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 poderia ter implicações de longo alcance. Comparado ao hélio, por exemplo, os excitons são milhares de vezes mais leves, então poderiam formar estados quânticos exóticos em temperaturas muito mais elevadas. Embora os supersólidos ainda não sejam totalmente compreendidos, essas descobertas fornecem evidências fortes de que os materiais 2D desempenharão um papel central na descoberta de como essa estranha fase quântica funciona.