Quando os físicos da Cornell, Robert Richardson, David Lee e Douglas Osheroff receberam o Prêmio Nobel de 1996 pela descoberta do estado superfluido do hélio líquido, foi apenas o começo. Agora, uma nova equipe de pesquisadores da Cornell, com base nesse trabalho, encontraram novas complexidades no fenômeno, com implicações para o estudo da supercondutividade e modelos teóricos da origem do universo.

"Queríamos ver novas transições de fase, "disse Jeevak Parpia, professor de física. Como se viu, ele viu uma transição mais "eficiente" em comparação com qualquer outra observada antes no hélio.

Os resultados são publicados em 3 de julho na revista. Nature Communications . Parpia e seu grupo de pesquisa colaboraram com um grupo liderado por John Saunders, professor de física, em Royal Holloway, Universidade de Londres.

Quando o isótopo de hélio conhecido como hélio-3 é resfriado a 3,2 graus acima do zero absoluto, ele muda de gás para líquido - o que os físicos chamam de "mudança de estado". Resfrie-o ainda mais - a cerca de um milésimo de grau acima do zero absoluto - e ele se torna um "superfluido" que pode fluir sem resistência de seus arredores. Se você colocar parte dele em um canal circular e começar a fluir ao redor do círculo, vai fluir para sempre, não retardado por fricção. Este comportamento do hélio é de grande interesse porque os elétrons em um supercondutor também se comportam como um superfluido, fluindo sem resistência dos átomos no condutor.

Para procurar a transição, O grupo de pesquisa de Parpia usou o Cornell NanoScale Science and Technology Facility para fazer uma cabeça de "pêndulo de torção", um disco de silício de 14 milímetros de diâmetro, em que eles gravaram um canal circular de 3,5 milímetros de largura, adicionar uma tampa de vidro para fazer a cavidade com 1,08 mícrons (milionésimos de metro) de altura. Girar o disco para frente e para trás faz com que o hélio superfluido flua na cavidade, e a quantidade de superfluido pode ser observada como uma mudança no período de oscilação do disco.

Os pesquisadores observaram as duas fases de superfluidez que Richardson, Lee e Osheroff relataram, referido como A e B. Eles também descobriram que a fase A poderia ser "super-resfriada", mas em nenhum lugar tanto quanto pode em grandes, experimentos volumosos.

Um exemplo de super-resfriamento pode ser visto quando a água é resfriada abaixo do ponto de congelamento enquanto permanece líquida. Mas jogue um pouco de gelo ou até mesmo um pouco de poeira para formar um "ponto de nucleação, "e a água vai congelar, espalhando-se a partir daí.

No experimento Cornell, o hélio em alguns casos resfriou abaixo da temperatura na qual a transição de A para B era esperada, mas permaneceu na fase A, embora possa ocorrer transição espontânea para B. Em grandes sistemas, acredita-se que essa transição espontânea ocorra devido a um raio cósmico ou alguma outra radiação local que entrou na amostra para atuar como um ponto de nucleação, ou é acionado por vibração. Ou talvez, teóricos propuseram, pode haver outras fases intermediárias que ainda não identificamos que auxiliam a transição a acontecer por um processo denominado "tunelamento ressonante".

Parpia escolheu um aparelho nanofabricado para estudar o efeito do confinamento. Em um supercondutor, os elétrons se unem em "pares de Cooper" que são magneticamente neutros e não interagirão com os núcleos do condutor. De forma similar, átomos de hélio no par de superfluido neutro, orbitando um ao redor do outro como pesos na ponta de uma corda lançada girando no ar. Os pesquisadores definiram a altura do canal de fluido para ser comparável a alguns dos comprimentos de distância de emparelhamento, de modo que a interação entre os pares e as paredes altera o equilíbrio em direção à fase A sobre a fase B. Se novas fases existem sob essas condições ainda não está claro, mas deve ser revelado em estudos adicionais, os pesquisadores disseram, isso testará os efeitos de vários graus de contenção.

Se o papel das fases intermediárias for confirmado, os pesquisadores disseram, isso pode ajudar os cosmologistas a explicar e modelar como o universo evoluiu "eficientemente" em uma série de transições de fase durante os momentos após o Big Bang.