Os físicos do MIT criaram uma nova forma de matéria, um supersólido, que combina as propriedades dos sólidos com as dos superfluidos.

Ao usar lasers para manipular um gás superfluido conhecido como condensado de Bose-Einstein, a equipe foi capaz de levar o condensado a uma fase quântica de matéria que tem uma estrutura rígida - como um sólido - e pode fluir sem viscosidade - uma característica chave de um superfluido. Estudos sobre esta fase aparentemente contraditória da matéria podem produzir insights mais profundos sobre superfluidos e supercondutores, que são importantes para melhorias em tecnologias, como ímãs supercondutores e sensores, bem como transporte eficiente de energia. Os pesquisadores relatam seus resultados esta semana na revista Natureza .

"É contra-intuitivo ter um material que combina superfluidez e solidez, "diz o líder da equipe Wolfgang Ketterle, o John D. MacArthur Professor de Física no MIT. "Se o seu café fosse superfluido e você mexesse, continuaria girando para sempre. "

Os físicos previram a possibilidade de supersólidos, mas não os observaram no laboratório. Eles teorizaram que o hélio sólido poderia se tornar superfluido se os átomos de hélio pudessem se mover em um cristal sólido de hélio, efetivamente se tornando um supersólido. Contudo, a prova experimental permaneceu indefinida.

A equipe usou uma combinação de métodos de resfriamento a laser e resfriamento evaporativo, originalmente co-desenvolvido por Ketterle, para resfriar átomos de sódio a temperaturas de nanokelvin. Os átomos de sódio são conhecidos como bósons, por seu número par de núcleons e elétrons. Quando resfriado a quase zero absoluto, bósons formam um estado superfluido de gás diluído, chamado de condensado de Bose-Einstein, ou BEC.

Ketterle co-descobriu os BECs - uma descoberta pela qual foi reconhecido com o Prêmio Nobel de Física de 2001.

"O desafio agora era adicionar algo ao BEC para garantir que ele desenvolvesse uma forma ou forma além da forma da 'armadilha de átomos, 'que é a característica definidora de um sólido, "explica Ketterle.

Virando o jogo, encontrando as listras

Para criar o estado supersólido, a equipe manipulou o movimento dos átomos do BEC usando feixes de laser, introduzindo o "acoplamento spin-órbita".

Em sua câmara de ultra-alto vácuo, a equipe usou um conjunto inicial de lasers para converter metade dos átomos do condensado em um estado quântico diferente, ou gire, essencialmente criando uma mistura de dois condensados ​​de Bose-Einstein. Feixes de laser adicionais então transferiram átomos entre os dois condensados, chamado de "spin flip".

"Esses lasers extras deram aos átomos 'girados' um impulso extra para realizar o acoplamento spin-órbita, "Ketterle diz.

Os físicos previram que um condensado de Bose-Einstein acoplado spin-órbita seria um supersólido devido a uma "modulação de densidade" espontânea. Como um sólido cristalino, a densidade de um supersólido não é mais constante e, em vez disso, tem um padrão ondulatório ou ondulatório denominado "fase de faixa".

“O mais difícil foi observar essa modulação de densidade, "diz Junru Li, um estudante de pós-graduação do MIT que trabalhou na descoberta. Esta observação foi realizada com outro laser, cujo feixe foi difratado pela modulação de densidade. "A receita do supersólido é muito simples, "Li acrescenta, "mas foi um grande desafio alinhar com precisão todos os feixes de laser e deixar tudo estável para observar a fase da faixa."

Mapeando o que é possível na natureza

Atualmente, o supersólido existe apenas em temperaturas extremamente baixas sob condições de ultra-alto vácuo. Daqui para frente, a equipe planeja realizar mais experimentos em supersólidos e acoplamento spin-órbita, caracterizar e compreender as propriedades da nova forma de matéria que eles criaram.

"Com nossos átomos frios, estamos mapeando o que é possível na natureza, "explica Ketterle." Agora que provamos experimentalmente que as teorias que prevêem supersólidos estão corretas, esperamos inspirar mais pesquisas, possivelmente com resultados imprevistos. "

Vários grupos de pesquisa estavam trabalhando na realização do primeiro supersólido. Na mesma edição de Natureza , um grupo na Suíça relatou uma maneira alternativa de transformar um condensado de Bose-Einstein em um supersólido com a ajuda de espelhos, que coletou a dispersão de luz laser pelos átomos. “A realização simultânea por dois grupos mostra o quão grande é o interesse por esta nova forma de matéria, "diz Ketterle.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.