Quando a matéria do dia a dia é resfriada, segue um caminho familiar. Um gás se torna um líquido, e, com um resfriamento adicional, esse líquido se transforma em um 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 resistência e exibe comportamentos estranhos, incluindo a capacidade de escalar as paredes de recipientes.
Os físicos se perguntaram por muito tempo o que aconteceria se um superfluido fosse resfriado ainda mais. Apesar de décadas de esforços, 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 relatou um resultado surpreendente. Eles observaram um superfluido, que normalmente permanece em movimento constante, parar repentinamente. “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. Prevê-se que tenha uma disposição ordenada e semelhante a um sólido, enquanto também retém propriedades normalmente associadas a líquidos, incluindo fluxo sem atrito. Essa combinação torna os supersólidos um dos estados de 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 replicaram supersólidos usando configurações altamente controladas criadas por físicos de átomos, moléculas e óptica (AMO). Esses experimentos dependem de lasers e componentes ópticos para formar uma armadilha periódica que força as partículas a entrarem em um padrão repetitivo, semelhante a como um Jello toma forma dentro de uma bandeja de gelo.
Recorrendo ao Grafeno em Busca de Respostas
Um supersólido que se forma por conta própria, sem confinamento artificial, permanece 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 incluiu Li, que fez 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 excítons. Essas quasi-partículas aparecem quando duas folhas de grafeno com espessura atômica são empilhadas e ajustadas de modo que uma camada contenha elétrons em excesso, enquanto a outra contenha buracos em excesso (que são deixados para trás quando os elétrons saem da camada em resposta à luz). Como os elétrons possuem carga negativa e os buracos atuam como cargas positivas, os dois podem se ligar para formar excítons. Sob um forte campo magnético, esses excítons 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 comportamentos quânticos 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, perceberam um padrão inesperado ligando a densidade de excítons e a temperatura.
Quando os excítons estavam densamente empacotados, 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 contrariou 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 sólido de excítons altamente incomum.”
É Verdadeiramente um Supersólido?
Se esse estado realmente qualifica-se como um supersólido permanece uma questão em aberto. “Ficamos à mercê da especulação, uma vez que nossa capacidade de investigar isolantes é um pouco limitada,” explicou Dean — sua experiência está em medições de transporte, e isolantes não transportam uma corrente. “Por enquanto, estamos explorando os limites em torno desse estado isolante, enquanto construímos novas ferramentas para medi-lo diretamente.”
Quais São os Próximos Passos 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 excítons 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 profundas. Comparados ao hélio, por exemplo, os excítons são milhares de vezes mais leves, então eles poderiam formar estados quânticos exóticos em temperaturas muito mais altas. Embora os supersólidos ainda não sejam totalmente compreendidos, essas descobertas fornecem evidências sólidas de que materiais 2D desempenharão um papel central na descoberta de como essa estranha fase quântica funciona.