Quando a matéria cotidiana esfria, ela segue caminhos familiares. O gás se transforma em líquido e, após resfriamento adicional, o 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 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 pode fluir sem resistência e apresentar um comportamento estranho, incluindo subir pelas laterais dos recipientes.
Os físicos há muito se perguntam o que aconteceria se os superfluidos fossem ainda mais resfriados. Apesar de décadas de esforços, esta questão permaneceu sem resposta durante quase 50 anos.
Superfluido que para de funcionar
Em uma nova pesquisa publicada na revista Nature, uma equipe liderada pelos físicos Corey 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 mantém movimento constante parou de se mover repentinamente. “Pela primeira vez, vemos um superfluido passar por uma transição de fase para o que parece ser um supersólido”, disse Dean. A mudança é semelhante ao congelamento da água em gelo, mas no reino quântico.
O que é um supersólido?
Os sólidos clássicos são definidos por átomos presos em estruturas cristalinas rígidas e repetitivas. Os supersólidos são a versão quântica dessa ideia. Espera-se que tenha um arranjo ordenado e sólido, ao mesmo tempo que retém propriedades tipicamente associadas a líquidos, incluindo fluxo sem atrito. Essa combinação torna os supersólidos um dos estados da matéria mais incomuns propostos pela física.
No entanto, até agora, nenhuma experiência mostrou claramente que os superfluidos se transformam naturalmente em supersólidos. Isto inclui o hélio e todas as outras formas conhecidas de matéria. Algumas demonstrações de laboratório usam dispositivos altamente controlados criados por físicos atômicos, moleculares e ópticos (AMO) para simular supersólidos. Os experimentos dependem de lasers e óptica para criar armadilhas periódicas que forçam as partículas a formar padrões repetidos, semelhante à forma como a geléia se forma dentro de uma bandeja de cubos de gelo.
Procurando respostas no grafeno
Os supersólidos que se formam por conta própria, sem restrições artificiais, continuam sendo um dos mistérios mais controversos da física da matéria condensada. A equipe de Dean adotou uma abordagem diferente, usando grafeno, um material natural feito de uma única camada de átomos de carbono. A equipe incluiu Li, que conduziu o trabalho como pós-doutorado na Universidade de Columbia, e Yihang Zeng, um ex-aluno de doutorado da equipe (agora professor assistente na Universidade de Purdue).
O grafeno pode suportar partículas chamadas excitons. Essas quasipartículas aparecem quando duas folhas atomicamente finas de grafeno são empilhadas juntas e ajustadas de modo que uma camada contenha elétrons extras e a outra contenha buracos extras (buracos 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 combinar para formar excitons. Sob fortes campos magnéticos, esses excitons podem se comportar coletivamente como um superfluido.
Transições de fase surpreendentes em materiais 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. Quando a equipe de Dean ajustou esses parâmetros, eles notaram um padrão inesperado de conexões entre a densidade do exciton e a temperatura.
Quando os excitons estão bem compactados, eles fluem livremente como um superfluido. À medida que a densidade diminui, o fluxo para completamente e o sistema se torna um isolante. O aumento da temperatura restaurou o comportamento superfluido. Esta sequência vai contra 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 muito incomum.”
É realmente um supersólido?
Se este estado se qualifica totalmente como supersólido permanece uma questão em aberto. “Só podemos especular um pouco porque nossa capacidade de interrogar isoladores meio que para”, explicou Dean. Sua especialidade é transmitir medições e os isoladores não transmitem corrente elétrica. “Atualmente estamos explorando os limites deste estado isolante enquanto construímos novas ferramentas para medi-lo diretamente.”
O que vem a seguir para os supersólidos?
A equipe está atualmente investigando outros materiais em camadas que poderiam hospedar fases quânticas semelhantes. No grafeno de bicamada, superfluidos excitônicos e possivelmente supersólidos só aparecem sob fortes campos magnéticos. Outros materiais são mais difíceis de fabricar na configuração desejada, mas podem manter os excitons estáveis em temperaturas mais altas e não requerem campos magnéticos.
Ser capaz de controlar superfluidos em materiais bidimensionais pode ter consequências de longo alcance. Comparados ao hélio, por exemplo, os excitons são milhares de vezes mais leves, de modo que podem formar estados quânticos exóticos em temperaturas mais altas. Embora os supersólidos ainda não sejam totalmente compreendidos, estas descobertas fornecem fortes evidências de que os materiais bidimensionais desempenharão um papel central na descoberta de como funciona esta estranha fase quântica.
