Cientistas observaram propriedades de supersólido e superfluido em um gás quântico. Descobrindo um novo estado da matéria.
Fonte: SciTechDaily (traduzido para o Português)
Matéria que se comporta como um sólido e um superfluido ao mesmo tempo parece impossível. Porém, há mais de 50 anos atrás, físicos previram que a mecânica quântica podia permitir tal estado. Neste estado único, conjuntos de partículas exibem propriedades que parecem contraditórias. Francesca Ferlaino, do Departamento de Física Experimental, da Universidade de Innsbruck e do Instituto de Ótica e Informação Quânticas (IQOQI), da Academia Austríaca de Ciências, explica: “É como o gato de Schrödinger, que é vivo e morto ao mesmo tempo, um supersólido é rígido e líquido.
Enquanto os cientistas conseguiram observar diretamente a estrutura cristalina que dá aos supersólidos as qualidades de “sólidos”, as propriedades superfluidas tem sido mais evasivas. Pesquisadores estudaram vários aspectos do comportamento do superfluido, como coerência de fase e modos Goldstone sem lacunas, mas não encontraram evidências diretas de uma característica fundamental da superfluidez: vórtices quantizados.
O que é um superfluido? É um fluido em temperaturas próximas do zero absoluto, que possui viscosidade zero, ou seja, não tem atrito, análogo aos supercondutores, que não possuem resistência elétrica. O superfluido também tem uma condutividade térmica muito elevada. Exemplos bem conhecidos são os isótopos hélio-3 e hélio-4 resfriados a 2 K (-271,15ºC). Enquanto um supersólido é um sólido com propriedades de superfluidez.
Em um grande avanço, vórtices quantizados foram observados em um supersólido em rotação de duas dimensões. Esta descoberta fornece provas tão esperadas de um fluxo de superfluido dentro de um supersólido e marca um avanço significativo no estudo da matéria quântica modulada.
Neste novo estudo, os cientistas combinaram modelos teóricos com experimentos de ponta para criar e observar vórtices em supersólidos dipolares, um feito extraordinariamente desafiador. A equipe de Innsbruck avançou em 2021, criando o primeiro supersólido de duas dimensões e longa duração, em um gás ultrafrio de átomos de érbio, que por si só foi uma tarefa difícil.
Usando técnicas de alta precisão, guiadas pela teoria, os pesquisadores empregaram campos magnéticos para rotacionar o supersólido. Como líquidos não giram rigidamente, essa agitação causou a formação de vórtices quantizados, que são as impressões digitais hidrodinâmicas da superfluidez.
Além disso, o experimento levou quase um ano, revelando diferenças significativas entre a dinâmica dos vórtices em supersólidos e fluidos quânticos não modulados, oferecendo uma nova visão sobre como as características de superfluido e sólido coexistem e interagem nestes estados exóticos quânticos.
As implicações desta descoberta vão muito além do laboratório, impactando potencialmente campos da física de matéria condensada até a astrofísica, onde estados quânticos semelhantes podem existir sobre condições extremas.
“Nossas descobertas abrem a porta para o estudo das propriedades hidrodinâmicas dos sistemas quânticos exóticos com várias simetrias quebradas, como cristais quânticos e até estrelas de nêutrons”, disse Thomas Bland, quem guiou o desenvolvimento teórico do projeto. “Por exemplo, assume-se que a mudança na velocidade de rotação observada nas estrelas de nêutrons, as chamadas falhas, são causadas por vórtices de superfluidos dentro das estrelas de nêutrons. Nossa plataforma oferece oportunidade para simular tais fenômenos na Terra”. Acredita-se que vórtices de superfluidos existem em supercondutores, que conduzem eletricidade sem perda.
