Um grupo de pesquisa da Universidade Bar-Ilan, em colaboração com colegas franceses do CNRS Grenoble, desenvolveu um experimento único para detectar eventos quânticos em filmes ultrafinos. Esta nova pesquisa, a ser publicado na revista científica Nature Communications , aumenta a compreensão dos fenômenos básicos que ocorrem em sistemas nanométricos próximos à temperatura zero absoluta.

Transições, Fases e pontos críticos

Uma transição de fase é um termo geral para fenômenos físicos em que um sistema transita de um estado para outro como resultado da mudança de temperatura. Exemplos do dia a dia são a transição do gelo para a água (sólido para líquido) a zero graus centígrados, e da água ao vapor (líquido ao gás) a 100 graus.

A temperatura na qual ocorre a transição é chamada de ponto crítico. Perto deste ponto ocorrem fenômenos físicos interessantes. Por exemplo, como a água é aquecida, pequenas regiões de gás começam a se formar e a água borbulha. À medida que a temperatura do líquido sobe em direção ao ponto crítico, o tamanho das bolhas de gás aumenta. À medida que o tamanho da bolha se torna comparável ao comprimento de onda da luz, a luz é espalhada e faz com que o líquido normalmente transparente pareça "leitoso" - um fenômeno conhecido como opalescência crítica.

Nos últimos anos, a comunidade científica tem mostrado interesse crescente nas transições de fase quântica em que um sistema transita entre dois estados em temperatura zero absoluta (-273 graus) como resultado da manipulação de um parâmetro físico, como o campo magnético, pressão ou composição química em vez de temperatura. Nessas transições, a mudança ocorre não devido à energia térmica fornecida ao sistema pelo aquecimento, mas sim pelas flutuações quânticas. Embora o zero absoluto não seja fisicamente atingível, características da transição podem ser detectadas no comportamento de temperatura muito baixa do sistema próximo ao ponto crítico quântico. Essas características incluem "bolhas quânticas" de uma fase na outra. O tamanho e a vida útil dessas bolhas quânticas aumentam conforme o sistema é sintonizado em direção ao ponto crítico, dando origem a um equivalente quântico de opalescência crítica.

A previsão teórica de tal criticidade quântica foi fornecida algumas décadas atrás, mas como medir isso experimentalmente permanece um mistério. Prof. Aviad Frydman do Departamento de Física e Instituto de Nanotecnologia e Materiais Avançados da Universidade Bar-Ilan, e seu aluno Shachar Poran, juntamente com o Dr. Olivier Bourgeois do CNRS Grenoble, pela primeira vez forneceu a resposta.

Criando um Nano-trampolim

Em transições de fase normais, há uma quantidade mensurável única que é usada para detectar um ponto crítico. Este é o calor específico que mede a quantidade de energia térmica que deve ser fornecida a um sistema para aumentar sua temperatura em um grau. Aumentar a temperatura de um sistema em dois graus requer o dobro da energia necessária para aumentá-la em um grau. Contudo, perto de uma transição de fase, esse não é mais o caso. Grande parte da energia é investida na criação de bolhas (ou flutuações) e, Portanto, mais energia deve ser investida para gerar uma mudança semelhante na temperatura. Como resultado, o calor específico sobe próximo ao ponto crítico e sua medição fornece informações sobre as flutuações.

Medir o calor específico de um sistema próximo a um ponto crítico quântico representa um desafio muito maior. Em primeiro lugar, as medições devem ser realizadas em baixas temperaturas. Em segundo lugar, os sistemas em estudo são camadas nano-finas que requerem medições extremamente sensíveis. O grupo de Frydman superou esses obstáculos desenvolvendo um projeto experimental único baseado em uma membrana fina suspensa no ar por pontes muito estreitas, formando assim um "nano-trampolim". Essa configuração permitiu medições de calor específicas dos filmes finos por meio de uma transição de fase quântica de um estado supercondutor para um estado eletricamente isolante próximo à temperatura zero absoluta.

A medição realizada pelo grupo de Frydman é a primeira desse tipo. Os resultados demonstram que, assim como no caso de uma transição de fase térmica, o calor específico aumenta de forma semelhante na vizinhança de um ponto crítico quântico, e pode ser usado como uma prova de criticidade quântica. Espera-se que este trabalho seja um marco na compreensão dos processos físicos que governam o comportamento de sistemas ultrafinos em temperaturas ultrabaixas.

O Prof. Frydman apresentará esta pesquisa em uma série de conferências internacionais nas próximas semanas. A pesquisa foi apoiada pelo Laboratoire d'Excellence LANEF em Grenoble (ANR-10-LABX-51-01) para o Prof. Frydman.