Físicos na Alemanha dizem ter encontrado evidências definitivas da existência de superfluidez em um gás 2D de férmions extremamente frio. O experimento envolveu confinar alguns milhares de átomos de lítio dentro de uma armadilha especialmente projetada, e eles dizem que a descoberta pode ajudar a lançar luz sobre o papel da dimensionalidade reduzida em supercondutores de alta temperatura.
Compreender os mecanismos que permitem que a corrente elétrica flua sem resistência dentro dos materiais de cuprato à pressão ambiente e a temperaturas de até 133 K é um dos maiores desafios pendentes na física da matéria condensada. Embora os cientistas possam explicar o processo por trás da supercondutividade mais convencional de baixa temperatura, eles ainda estão tentando descobrir como o fenômeno pode ocorrer em altas temperaturas no que são essencialmente materiais 2D (cupratos sendo feitos de camadas de óxido de cobre). Esses materiais de baixa dimensão estão sujeitos a flutuações que impedem a coerência de longo alcance considerada essencial para a supercondutividade.
Os gases Fermi 2D podem servir como sistemas modelo para tentar ajudar a esclarecer esse mistério, tendo correlações fortes e ajustáveis entre seus férmions constituintes que podem imitar interações em supercondutores. Fenômenos quânticos macroscópicos, como a condensação de Bose-Einstein, envolvem um grande número de bósons – partículas com spin inteiro – coexistindo em um único estado quântico. Os férmions, em contraste, têm spin meio inteiro e estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli – que impede que várias partículas compartilhem estados quânticos. Mas os férmions podem contornar essa restrição emparelhando e combinando seus spins.
A superfluidez também depende de um estado quântico macroscópico de bósons, ocorrendo em temperaturas muito baixas e fazendo com que o fluido em questão flua sem viscosidade. Embora os gases Fermi 3D tenham mostrado anteriormente exibir superfluidez, apenas evidências indiretas foram coletadas para o fenômeno em tais gases restritos ao 2D. Mas Lennart Sobirey e colegas da Universidade de Hamburgo agora observaram superfluidez em um gás Fermi 2D graças em parte a um tipo especial de armadilha que eles demonstraram inicialmente em 2017.
Potencial de caixa
Os pesquisadores realizaram seu experimento usando um gás Fermi de cerca de 6.000 átomos de lítio-6. Como é o caso das demonstrações 3D, eles primeiro usaram uma série de técnicas ópticas e magnéticas para resfriar os átomos a uma fração de grau acima do zero absoluto e mantê-los no lugar. A diferença desta vez foi que eles criaram o que é conhecido como potencial de caixa, carregando o gás em uma rede óptica criada por dois lasers azuis. Isso confinou fortemente o gás a uma camada muito fina, com a energia necessária para mover os átomos na direção vertical, excedendo a energia térmica e o potencial químico do gás.
Para estabelecer se o gás era um superfluido, a equipe recorreu ao critério de Landau. Isso estipula que as excitações só podem ocorrer dentro de um superfluido quando há movimento acima de uma certa velocidade mínima. Em outras palavras, não haverá atrito entre o superfluido e qualquer impureza que se mova mais lentamente do que isso.
A impureza criada pelos pesquisadores veio na forma de uma rede de luz móvel. Eles direcionaram dois feixes de laser vermelho para o centro de sua armadilha, criando assim um padrão de interferência com potencial senoidal. Ao compensar levemente a frequência dos dois feixes, eles foram capazes de mover a rede através do gás com uma certa velocidade.
Mudanças de temperatura
Eles fizeram isso para uma gama de velocidades diferentes e, em cada caso, mediram a mudança de temperatura do sistema – uma medida de quantas excitações foram criadas. Eles descobriram que, à medida que aumentavam a velocidade, o movimento permanecia sem atrito, até atingir um certo valor crítico. Nesse ponto, o movimento começou a gerar calor.
Os pesquisadores realizaram esse procedimento quando os férmions interagiram fortemente para criar um condensado de Bose-Einstein e quando formaram pares de Cooper com ligações mais fracas. Embora a resposta precisa nos dois estados fosse diferente, em ambos os casos eles observaram uma velocidade crítica abaixo da qual o movimento era sem atrito. Isso, dizem eles, “constitui evidência conclusiva de superfluidez”.
Além do mais, os pesquisadores descobriram que essa superfluidez era dependente da temperatura. Preparando o gás em diferentes temperaturas e em cada caso movendo a rede através do gás em uma variedade de velocidades, eles observaram que a velocidade crítica entrava em ação em baixas temperaturas, mas não em altas. Em outras palavras, o gás passou por uma transição de fase de um superfluido para um fluido normal em uma determinada temperatura crítica. Eles determinaram que a temperatura era de 35 nK, o que, eles dizem, concorda muito bem com as previsões teóricas.
John Thomas, da Universidade Estadual da Carolina do Norte, nos Estados Unidos, que não estava envolvido na pesquisa, aponta que os experimentos mostram um pico claro na velocidade crítica no cruzamento de um condensado de Bose-Einstein para um gás Fermi – onde o gás está mais fortemente correlacionado. Isso, diz ele, “já fornece novos insights sobre a natureza da superfluidez em sistemas 2D”. Ele acrescenta que o trabalho abre caminho para o estudo dos efeitos da dimensionalidade, que, ele destaca, podem ser suavemente ajustados de 2D para 3D com a redução da força do potencial confinante.
Publicado em 13/11/2021 12h37
Artigo original:
Estudo original: