Quando o dia a dia esfria, ele segue um caminho familiar. O gás torna-se líquido e, após resfriamento adicional, esse líquido se transforma em sólido. A matéria quântica nem sempre segue 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 superfluido, um estado raro da matéria que flui sem qualquer resistência e apresenta um comportamento estranho, incluindo rastejar pelas laterais dos recipientes.
Os físicos há muito se perguntam o que aconteceria se um superfluido fosse resfriado ainda mais. Apesar de décadas de esforços, esta questão permaneceu sem resposta durante quase 50 anos.
Superfluido que para
Num novo estudo publicado na Nature, uma equipe de físicos liderada por Corey Dean, da Universidade de Columbia, e Jia Li, da Universidade do Texas, em Austin, relata um resultado surpreendente. Eles observaram como um superfluido, normalmente em constante movimento, parou repentinamente de se mover. “Pela primeira vez, vimos um superfluido passar por uma transição de fase e se tornar o que parece ser um supersólido”, disse Dean. A mudança é comparável ao congelamento da água em gelo, mas ocorre no reino quântico.
O que é um corpo superrígido?
Um sólido clássico é definido por átomos presos em uma estrutura cristalina rígida e repetitiva. Um superhard é uma versão quântica dessa ideia. Prevê-se que tenha uma estrutura ordenada semelhante a um sólido, mas que retenha as propriedades normalmente associadas aos líquidos, incluindo o fluxo sem atrito. Essa combinação torna os supersólidos um dos estados da matéria mais incomuns propostos pela física.
No entanto, até agora nenhum experimento mostrou que um superfluido se transforma naturalmente em supersólido. Isto inclui o hélio e todas as outras formas conhecidas de matéria. Algumas demonstrações de laboratório simularam supersólidos usando configurações altamente controladas construídas por físicos atômicos, moleculares e ópticos (AMO). Esses experimentos dependem de lasers e componentes ópticos para formar uma armadilha periódica que faz com que as partículas repitam um padrão semelhante ao modo 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, trabalhando com grafeno, um material natural composto por uma única camada de átomos de carbono. O grupo incluía Li, que supervisionou o trabalho quando ele era estudante de pós-graduação na Universidade de Columbia, e Yihan Zeng (agora professor assistente na Universidade de Purdue), um ex-aluno de pós-graduação 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 configuradas de modo que uma camada contenha elétrons extras e a outra contenha buracos extras (sobras quando os elétrons deixam a camada em resposta à luz). Como os elétrons carregam uma carga negativa e os buracos atuam como cargas positivas, eles podem se unir para formar excitons. Num campo magnético forte, estes excitons podem comportar-se juntos como um superfluido.
Mudança de fase incrível em 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 a distância 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 bem compactados, eles fluíam livremente como um superfluido. À medida que a densidade caiu, o fluxo parou completamente e o sistema se transformou em um isolante. O aumento da temperatura restaurou o comportamento superfluido. Esta sequência contradiz suposições de longa data sobre como funciona a superfluidez.
“A superfluidez é geralmente considerada um estado fundamental de baixa temperatura”, disse Li. “A observação de uma fase isolante derretendo em um superfluido não tem precedentes. Isso sugere fortemente que a fase de baixa temperatura é um sólido excitônico altamente incomum.”
É realmente um corpo superduro?
A questão de saber se este estado pode ser totalmente qualificado como supersólido permanece em aberto. “Ficamos especulando, já que nossa capacidade de interrogar isoladores para um pouco”, explicou Dean – eles são especializados em medições de transporte e os isoladores não transportam corrente. “Enquanto exploramos os limites em torno deste estado isolante, estamos construindo novas ferramentas para medi-lo diretamente”.
O que vem por aí para Supersolids
A equipe está agora investigando outros materiais em camadas que podem conter fases quânticas semelhantes. No grafeno de bicamada, a superfluidez excitônica e provavelmente a supersolididade aparecem apenas em campos magnéticos fortes. Outros materiais são mais difíceis de fabricar na configuração correta, mas podem permitir que os excitons permaneçam estáveis em temperaturas mais altas e sem a necessidade de um campo magnético.
A capacidade 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 exóticos a temperaturas muito mais altas. Embora os supersólidos ainda não sejam totalmente compreendidos, estas descobertas fornecem fortes evidências de que os materiais 2D desempenharão um papel central na revelação de como funciona esta incrível fase quântica.
