Supersólido - Supersolid

Na física da matéria condensada , um supersólido é um material espacialmente ordenado com propriedades superfluidas . No caso do hélio-4 , conjecturou-se desde 1960 que seria possível criar um supersólido. A partir de 2017, uma prova definitiva da existência desse estado foi fornecida por vários experimentos usando condensados atômicos de Bose-Einstein . As condições gerais necessárias para que a supersolididade surja em uma determinada substância são um tópico de pesquisa em andamento.

Fundo

Um supersólido é um estado quântico especial da matéria em que as partículas formam uma estrutura rígida e espacialmente ordenada, mas também fluem com viscosidade zero . Isso está em contradição com a intuição de que o fluxo, e em particular o fluxo de superfluido com viscosidade zero, é uma propriedade exclusiva do estado do fluido , por exemplo, fluidos supercondutores de elétrons e nêutrons, gases com condensados ​​de Bose-Einstein ou líquidos não convencionais como o hélio- 4 ou hélio-3 em temperatura suficientemente baixa. Por mais de 50 anos, não ficou claro se o estado supersólido pode existir.

Experimentos usando hélio

Enquanto vários experimentos produziram resultados negativos, na década de 1980, John Goodkind descobriu a primeira anomalia em um sólido usando ultrassom . Inspirado por sua observação, em 2004, Eun-Seong Kim e Moses Chan, da Pennsylvania State University, viram fenômenos que foram interpretados como comportamento supersólido. Especificamente, eles observaram um momento de inércia rotacional não clássico de um oscilador de torção. Esta observação não pode ser explicada por modelos clássicos, mas foi consistente com o comportamento do tipo superfluido de uma pequena porcentagem dos átomos de hélio contidos no oscilador.

Esta observação desencadeou um grande número de estudos de acompanhamento para revelar o papel desempenhado por defeitos de cristal ou impurezas de hélio-3. Outras experiências lançaram algumas dúvidas sobre a existência de um verdadeiro supersólido no hélio. Mais importante ainda, foi mostrado que os fenômenos observados podem ser amplamente explicados devido às mudanças nas propriedades elásticas do hélio. Em 2012, Chan repetiu seus experimentos originais com um novo aparato projetado para eliminar tais contribuições. Neste experimento, Chan e seus co-autores não encontraram evidências de supersolididade.

Experimentos usando gases quânticos ultracold

Em 2017, dois grupos de pesquisa da ETH Zurich e do MIT relataram a criação de um gás quântico ultracold com propriedades supersólidas. O grupo de Zurique colocou um condensado de Bose-Einstein dentro de dois ressonadores ópticos, que aumentaram as interações atômicas até que começaram a se cristalizar espontaneamente e formar um sólido que mantém a superfluidez inerente dos condensados ​​de Bose-Einstein. Essa configuração realiza uma forma especial de um supersólido, o chamado supersólido de rede, onde os átomos são fixados nos locais de uma estrutura de rede imposta externamente. O grupo MIT expôs um condensado de Bose-Einstein em um potencial de poço duplo a feixes de luz que criaram um acoplamento spin-órbita eficaz. A interferência entre os átomos nos dois locais da rede acoplada spin-órbita deu origem a uma modulação de densidade característica.

Em 2019, três grupos de Stuttgart, Florença e Innsbruck observaram propriedades supersólidas em condensados dipolares de Bose-Einstein formados a partir de átomos de lantanídeos . Nestes sistemas, a supersolididade emerge diretamente das interações atômicas, sem a necessidade de uma rede óptica externa. Isso facilitou também a observação direta do fluxo do superfluido e, portanto, a prova definitiva da existência do estado supersólido da matéria.

Em 2021, o disprósio foi usado para criar um gás quântico supersólido bidimensional.

Teoria

Na maioria das teorias desse estado, supõe-se que as vagas - locais vazios normalmente ocupados por partículas em um cristal ideal - levam à supersolididade. Essas vagas são causadas pela energia do ponto zero , que também faz com que elas se movam de um local para outro como ondas . Como as vagas são bósons , se essas nuvens de vagas podem existir em temperaturas muito baixas, então uma condensação de Bose-Einstein das vagas poderia ocorrer em temperaturas menores do que alguns décimos de Kelvin. Um fluxo coerente de vagas é equivalente a um "superfluxo" (fluxo sem atrito) de partículas na direção oposta. Apesar da presença do gás de vacâncias, a estrutura ordenada de um cristal é mantida, embora com menos de uma partícula em cada local da rede em média. Alternativamente, um supersólido também pode emergir de um superfluido. Nesta situação, que é realizada nos experimentos com condensados ​​atômicos de Bose-Einstein, a estrutura espacialmente ordenada é uma modulação no topo da distribuição de densidade do superfluido.

Veja também

Referências

links externos