Os átomos em um condensado de Bose-Einstein (BEC) podem existir em um misterioso estado “supersólido” em duas dimensões, mostraram os pesquisadores na Áustria. O trabalho, que se baseia em pesquisas de 2019 que demonstram a supersolididade em uma dimensão, abre o caminho para testes até então impossíveis de previsões teóricas sobre esse fenômeno há muito inexplicado.
A supersolididade é um estado da matéria contra-intuitivo que foi previsto pela primeira vez em 1957 pelo físico teórico Eugene Gross. Em temperaturas próximas do zero absoluto, Gross raciocinou que as lacunas nos cristais de hélio-4 sólido a granel poderiam condensar em um superfluido que fluiria através do sólido. A conjectura original de Gross permanece não comprovada: uma suposta descoberta de 2004 foi, em 2012, mostrada pelos mesmos pesquisadores como sendo o resultado de um erro experimental. Estudos subsequentes não produziram nada definitivo.
Os físicos tiveram mais sucesso, entretanto, começando com superfluidos e trabalhando na direção oposta. BECs (gases ultracold de átomos aprisionados, todos resfriados ao estado quântico da armadilha) de átomos altamente magnéticos podem formar aglomerados regulares e ordenados espontaneamente em um campo magnético aplicado, mostrando a emergência de supersolididade a partir de um estado superfluido completamente isotrópico. “Os átomos dentro do gás são todos coerentes de fase e eles descobrem que, se empilharem um em cima do outro, podem diminuir sua energia”, explica Francesca Ferlaino, uma física atômica experimental da Universidade de Innsbruck e o Institute for Quantum Optics and Quantum Information. “Em princípio, eles poderiam tentar fazer um filamento infinito, mas na verdade não podem fazer isso porque há um custo de energia cinética e um custo potencial de captura.”
Em vez disso, os átomos formam uma série de pilhas regularmente espaçadas, levando a uma rede de picos em sua função de onda compartilhada. Isso produz uma ordem cristalina na densidade dos átomos, mesmo que cada átomo individual seja completamente deslocalizado.
De uma dimensão para duas
Essa é a teoria. Na prática, enquanto três grupos – incluindo o de Ferlaino – alcançaram a ordem cristalina emergente em superfluidos em uma dimensão em 2019, ninguém conseguiu isso em duas dimensões. Isso limitou severamente a capacidade dos pesquisadores de realizar experimentos de supersolididade usando gases quânticos. “A física interessante está no comportamento dos cristais – o transporte das partículas, o tipo de excitação que você pode criar”, explica Ferlaino. No entanto, a criação de supersolididade 2D em um gás quântico estava longe de ser trivial: “Havia essa ideia na comunidade de que alcançar a supersolididade 2D seria muito, muito mais difícil e exigiria muito mais átomos que talvez estivessem no limite de o que os experimentos podem fazer”, diz ela.
Para superar essa barreira, o grupo de Ferlaino trabalhou com teóricos liderados por Luis Santos, do Instituto de Física Teórica de Hanover, Alemanha. Ao calcular com precisão como a adaptação da forma do potencial de captura alteraria a forma da função de onda – e assim permitiria aos pesquisadores transformar um supersólido linear em um 2D – os teóricos “identificaram uma maneira de entrar no estado supersólido que não era claro”, Diz Ferlaino.
Usando essas armadilhas personalizadas, os experimentalistas mostraram como, dependendo do campo que aplicaram, o resfriamento dos átomos pode produzir um condensado não modificado, um estado que compreende gotículas separadas ou – em uma faixa muito estreita entre os dois – um supersólido.
Progresso através da competição
Giovanni Modugno, um físico da Universidade de Florença, Itália, cujo grupo (incluindo os teóricos no presente trabalho) publicou outra das observações de 2019 da supersolididade unidimensional, está impressionado. “Normalmente, quando você tem partículas bosônicas em temperatura zero, elas vão para o estado fundamental do sistema, que é uma função de onda sem nós e sem modulações”, explica ele. “O que é extraordinário aqui é que ainda estamos no estado fundamental do sistema, mas temos esses lugares onde a função de onda quase chega a zero, mas realmente não chega: do ponto de vista da mecânica quântica dos livros didáticos, essas modulações são algo extraordinário e extremamente difícil de realizar. É por isso que demorou 50 anos ou mais.”
“O supersólido unidimensional apareceu há dois anos e foi uma grande surpresa quando três grupos superaram esse obstáculo”, acrescenta o teórico Blair Blaikie, da Universidade de Otago, na Nova Zelândia, que não participou da pesquisa mais recente. “Talvez por causa dessa competição as coisas tenham realmente progredido muito rápido. Este sistema bidimensional tem muito mais recursos que esperamos de um supersólido. Ainda há muitas questões teóricas profundas sobre as transições entre os diferentes arranjos cristalinos e a natureza das transições de fase, e acho que haverá muito interesse em usar este sistema para responder a algumas dessas questões.”
Ferlaino também deseja começar a responder a essas perguntas. “Agora que produzimos este novo estado, temos muitas coisas que queremos estudar”, diz ela. “Queremos saber, digamos, a relação de dispersão e estudar a dinâmica do desequilíbrio.”
Publicado em 13/11/2021 13h57
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