Uma figura inspirada por um antigo deus romano / latino chamado ‘Giano Bifronte’ ou Jianus. Este Deus condensa em si duas naturezas bastante antitéticas, que coexistem em uma entidade. Não é possível remover ou extrair uma das duas naturezas sem destruir completamente a Deus. No contexto do estudo, as duas naturezas são a superfluida e a cristalina. Crédito:Harald Ritsch e a equipe Erbium.
Supersólido, materiais sólidos com propriedades de superfluido (isto é, em que uma substância pode fluir com viscosidade zero), recentemente se tornaram o foco de vários estudos de física. Os supersólidos são fases paradoxais da matéria em que coexistem duas ordens distintas e um tanto antitéticas, resultando em um material sendo tanto cristal quanto superfluido.
Previsto pela primeira vez no final da década de 1960, a supersolididade tornou-se gradualmente o foco de um número crescente de estudos de pesquisa, gerando debate em diferentes campos científicos. Vários anos atrás, por exemplo, uma equipe de pesquisadores publicou resultados controversos que identificaram esta fase no hélio sólido, que foram posteriormente negados pelos próprios autores.
Uma questão chave com este estudo foi que ele não levou em consideração a complexidade do hélio e as observações não confiáveis que às vezes ele pode produzir. Além disso, em átomos, as interações são normalmente muito fortes e estáveis, o que torna mais difícil a ocorrência dessa fase.
Gases quânticos dipolares situam-se no extremo oposto de estruturas como o hélio sólido, como eles são feitos de átomos magnéticos ultracold na fase gasosa resfriados a temperaturas de nanokelvin. Nestes gases, Portanto, as interações entre os átomos são fracas, no entanto, eles também são de longo alcance e podem ser sintonizados com campos magnéticos controlados externamente.
Por causa de seu alto grau de sintonia, alguns anos atrás, gases quânticos começaram a aparecer com mais frequência em propostas teóricas de supersolididade. Os primeiros experimentos usando gases acoplados a campos de luz mostraram estados com propriedades do tipo supersólido, mas nesses estados, o sólido permaneceu incompressível.
Finalmente, há poucos meses atrás, três grupos de pesquisa que investigam gases ultracold de átomos altamente magnéticos (um grupo alemão liderado por Tilman Pfau, um grupo italiano liderado por Giovanni Modugno e um grupo de pesquisadores baseado na Universidade de Innsbruck e no Institut für Quantenoptik und Quanteninformation liderado por Francesca Ferlaino), observações publicadas simultaneamente de estados com propriedades supersólidas.
"Conseguimos provar que, em determinadas condições de interação, o gás magnético passou por uma transição de fase para um estado supersólido, mostrando a modulação de densidade espontânea (isto é, cristal) e coerência de fase global (ou seja, superfluido), "os pesquisadores baseados em Innsbruck disseram ao Phys.org por e-mail." Notavelmente, as propriedades supersólidas surgem genuinamente das interações interpartículas nuas, que têm uma forte contribuição dipolo-dipolo. "
Com base nesses resultados anteriores, a equipe de pesquisa liderada por Francesca Farlaino realizou um novo estudo investigando o espectro de excitação de um supersólido dipolar preso, reunindo novas observações interessantes. Este estudo é um passo importante para desvendar como o estado supersólido da matéria responde às excitações.
"Para testar a supersolididade, é importante provar que o superfluido e a natureza cristalina de um sistema respondem de forma diferente às perturbações, "os pesquisadores explicaram." De maneira mais geral, na física quântica, qualquer sistema tem modos de excitação intrínsecos que caracterizam como ele responde a uma perturbação. Por exemplo, uma corda de guitarra comprimida responde apenas com uma determinada frequência, fazendo um som claro, que um ouvido treinado poderia reconhecer como uma nota específica, estimar as características da corda. O mesmo vale para um sistema quântico; seu espectro de excitação revela informações íntimas sobre seu caráter intrínseco. Sondar as excitações do supersólido pode, assim, permitir uma visão nova e mais profunda desta fase intrigante. "
As respostas observadas pelos pesquisadores correspondem às previsões teóricas associadas aos supersólidos, o que sugere que eles observaram com sucesso um estado supersólido. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , concentra-se especificamente no espectro de excitações elementares de um gás Bose dipolar colocado em uma armadilha anisotrópica 3-D enquanto está passando pela transição entre o superfluido e o supersólido.
"Demos um passo importante ao estudar a resposta às excitações dos sistemas, "os pesquisadores disseram ao Phys.org." A maneira como um sistema responde diz muito sobre o próprio sistema. Basta pensar em uma excitação externa em que se joga uma pedra em um sistema, e quão diferente é a resposta se alguém atirar essa pedra no mar ou na parede. Este é apenas um exemplo; em vez de atirar uma pedra, estudamos a compressibilidade do sistema. "
Em seu estudo, Ferlaino e seus colegas investigaram essencialmente os modos de excitação do estado supersólido produzido a partir de um gás quântico de átomos de érbio em uma armadilha em forma de charuto feita de luz, alterando o valor de um campo magnético externo. Nesta configuração experimental, a modulação de densidade apareceu espontaneamente ao longo da armadilha, enquanto o sistema permaneceu supefluido.
Os pesquisadores então excitaram globalmente o sistema perturbando a armadilha na mesma direção em que a modulação de densidade apareceu. Isso resultou na excitação de modos distintos, que eles sondaram observando a mudança nos padrões da interferência da onda de matéria do gás consigo mesmo (obtida ao fazer o gás se expandir) ao longo do tempo.
“No nosso trabalho, identificamos os diferentes modos de excitação elementares aplicando uma análise estatística livre de modelo chamada Análise de Componentes Principais na evolução temporal dos padrões que observamos, "disseram os pesquisadores." Nossa observação mais significativa foi que a existência simultânea das duas ordens - cristal e superfluido - em um supersólido se traduz em propriedades notáveis de seu espectro de excitação elementar, que investigamos posteriormente em nosso trabalho. "
Estudos anteriores sugerem que no limite termodinâmico (ou seja, em sistemas infinitos), a existência de propriedades de cristal e superfluido produz duas ramificações no espectro de excitação, cada um deles sendo associado a um dos pedidos. Isso resulta em modos que são vibrações da estrutura cristalina ou fluxo do superfluido, respectivamente. Em seu estudo, Ferlaino e seus colegas mostraram, tanto teoricamente quanto experimentalmente, que esta característica chave do espectro supersólido ocorre em sistemas de laboratório onde apenas alguns locais de cristal estão presentes.
"Experimentalmente, observamos que a resposta do sistema ao nosso esquema de excitação global muda de um para vários modos excitados quando o sistema faz a transição de um superfluido regular para um supersólido, refletindo a multiplicidade do ramo de excitação no sistema, "os pesquisadores explicaram." Mais importante, uma classe dos modos excitados tem um custo de energia decrescente ao se mover mais profundamente para o regime supersólido, ou seja, quando o caráter superfluido da fase é reduzido. Tal comportamento caracteriza os modos que induzem um fluxo de superfluido dentro da matriz de gotículas. "
Os pesquisadores descobriram que, enquanto no regime de condensado de Bose-Einstein, o sistema que examinaram exibia uma oscilação quadrupolar comum, no regime supersólido, produziu uma intrigante resposta de duas frequências. Essa resposta está associada às duas simetrias quebradas espontaneamente do sistema.
O estudo realizado por Ferlaino e seus colegas fornece evidências da possibilidade de fluxo de superfluido no estado supersólido, enquanto sua elasticidade sólida é sensível. Para averiguar suas observações, Contudo, os pesquisadores também precisariam provar a irrotacionalidade do fluxo de superfluido, por exemplo, observando vórtices. Essa é uma das muitas coisas que eles esperam realizar em seu trabalho futuro.
"A história do gás dipolar supersólido ainda é um livro incompleto e muitos capítulos ainda precisam ser escritos, "disseram os pesquisadores." Por exemplo, como a fração do superfluido evolui ao longo do diagrama de fases? Qual é a natureza do fluxo de superfluido em tal sistema e como o sistema reage à rotação ou a uma perturbação local? Quais são as outras características que se podem capturar do espectro de excitação do supersólido, em relação à elasticidade sólida e à fração superfluida? Estas são apenas algumas das direções empolgantes que poderíamos explorar no futuro. "
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