Os físicos têm estudado o superfluido ³ Ele está sob confinamento em nanoescala há vários anos, já que este líquido único apresenta uma rica variedade de fases com parâmetros de ordem complexos que podem ser estabilizados. Embora estudos anteriores tenham reunido muitas observações interessantes, uma imagem completa e confiável do superfluido ³ Ele ainda está em confinamento.

Pesquisadores da Universidade de Alberta recentemente deram um grande salto nessa direção, introduzindo novos diagramas de fase de superfluido ³ Ele está sob vários graus de confinamento uniaxial. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , poderia lançar luz sobre a estabilidade progressiva da fase A do líquido exótico, ao mesmo tempo, descobrindo uma região crescente de estado de onda de densidade de par estável.

"A ideia para este projeto foi semeada em meados dos anos 2000, quando eu era um estudante de doutorado na Northwestern University, "John Davis, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Eu estava trabalhando com o Prof. William Halperin, fazendo estudos experimentais de superfluido ³ Ele, enquanto no grupo do Prof. Jim Sauls um aluno de doutorado chamado Anton Vorontsov, agora professor da Montana State University, estava explorando ideias em torno do superfluido ³ Ele está em confinamento. "

As ideias desenvolvidas por Vorontsov há mais de uma década culminaram em dois artigos teóricos interessantes, publicado em 2005 e 2007. O primeiro artigo previu a formação de uma 'parede de domínio' entre dois tipos de superfluido. Na física, paredes de domínio são conhecidas, entre outras coisas, para separar domínios microscópicos em materiais ferromagnéticos e o alinhamento dos domínios magnéticos, em última análise, leva ao ferromagnetismo macroscópico. Contudo, a ideia de paredes de domínio separando duas regiões de um fluido é muito menos intuitiva e, portanto, um tanto tentadora.

"O artigo de Vorontsov de 2007 levou essa ideia ainda mais longe e previu que em uma certa gama de pressões, temperaturas, e confinamento, essas paredes de domínio podem se organizar e formar um 'cristal superfluido, "Davis disse." Essa ideia de um material com a estrutura espacial regular de um cristal e as propriedades de superfluxo de um superfluido me intrigou desde então.

A ideia introduzida por Vorontsov é em parte uma reminiscência de supersólidos, um tema que atraiu muito interesse no campo da física há alguns anos. Contudo, o novo estado que ele descreveu não começa como um estado sólido, mas sim como um fluido. É, portanto, muito mais semelhante ao que é observado em cristais líquidos, que podem ter ordenação espacial semelhante aos sólidos e ainda assim permanecer como líquidos. Da mesma forma em que são referidos como 'cristais líquidos', Portanto, A previsão de Vorontsov poderia ser chamada de "cristal superfluido".

Em seu artigo recente, Davis e seus colegas decidiram usar o termo mais genérico 'onda de densidade de pares', a fim de minimizar a controvérsia. Independentemente do termo que usaram, seu objetivo era procurar o estado superfluido ordenado cristalino introduzido por Vorontsov.

"Desde o momento em que o artigo de 2007 foi publicado, Venho me aprimorando lentamente para realizar esse experimento ", disse Davis." Desde 2010, meu grupo de pesquisa independente está construindo a infraestrutura para resfriar líquidos ³ Ele para as temperaturas abaixo de milikelvin necessárias, construir os termômetros necessários para medir essas temperaturas e inventar técnicas experimentais para medir as propriedades dos superfluidos sob confinamento. "

A fim de identificar novos métodos experimentais para medir as propriedades de superfluidos sob confinamento, os pesquisadores começaram a usar técnicas modernas de nanofabricação. Essas técnicas permitiram que eles confinassem ³ Ele para a nanoescala, que é o que, em última análise, diferencia seus experimentos de outros realizados no passado.

"Na verdade, topamos com a técnica que usamos em nosso estudo, o da ressonância mecânica, por acidente, "Davis explicou." Usamos algo chamado ressonância de Helmholtz, o que significa que é uma ressonância mecânica de um fluido. Isso é semelhante ao apito que você ouve quando sopra a tampa de uma garrafa de cerveja. Este apito é um sistema massa-mola, sendo a massa o fluido no gargalo da garrafa e a mola a compressibilidade da cerveja na garrafa. "

Semelhante ao que acontece quando sopra o topo de uma garrafa de cerveja, a técnica usada por Davis e seus colegas resulta em um sistema massa-mola inteiramente composto de superfluido. A frequência do apito resultante pode então atuar como uma medida das propriedades do estado do superfluido.

Os pesquisadores revelaram essa ressonância mecânica por acidente em um de seus experimentos anteriores. Uma vez que eles entenderam o que era, eles perceberam que isso poderia ajudá-los a alcançar seus objetivos de pesquisa.

"Passamos muitos anos refinando essa técnica, até em janeiro de 2019, dois membros do meu laboratório, O estudante de doutorado Alex Shook e o colega de pós-doutorado Vaisakh Vadakkumbatt, partiu para finalmente procurar este estado de cristal superfluido em líquido ³ Ele, "Davis disse." Assim que os dados começaram a chegar, Eu sabia que estávamos em algo grande. Mas para estar realmente confiante, esses caras passaram meses refinando a aquisição de dados e certificando-se de que nossa termometria era precisa. "

Ao tentar calcular as fases esperadas com base em suas observações, os pesquisadores não podiam confiar em estudos anteriores, como sua técnica experimental permitiu-lhes explorar uma gama mais ampla de pressões e confinamentos do que os relatados em trabalhos anteriores, portanto, ainda não existiam teorias que sustentassem suas observações. Eles, portanto, decidiram compartilhar suas observações com outra equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Joseph Maciejko, que os ajudou a fazer os cálculos necessários.

"O aluno do Prof. Maciejko, Pramodh Senarath Yapa, realizou cálculos das transições de fase esperadas nas mesmas condições que nossos experimentos, mas fizemos isso de uma forma 'duplo cego', "Davis explicou." Demos a Pramodh os confinamentos correspondentes aos nossos experimentos e que faixas de pressão e temperatura estávamos explorando, mas não revelou nossas temperaturas de transição precisas. Em vez de, Pramodh fez os cálculos e Alex Shook fez a análise experimental e construção dos diagramas de fase e um dia, em uma grande revelação, nós os colocamos juntos. "

A concordância entre os resultados dos cálculos realizados por Pramodh e os diagramas de fase elaborados por Shook foi notável, com zero parâmetros ajustáveis. Os pesquisadores foram, portanto, capazes de obter novos insights importantes sobre a estabilidade progressiva do UMA fase em superfluido ³ Ele, ao mesmo tempo, destacando uma região crescente do estado de onda de densidade de par estável.

Embora seja uma física profundamente fundamental, explorando o que significa ter um estado com ordenação espacial, como um cristal, mas isso também é um superfluido, pode ter implicações importantes para outros sistemas de matéria condensada. Por exemplo, um estado de onda de densidade de par semelhante está sendo examinado em supercondutores de alta temperatura, então o trabalho dos pesquisadores pode influenciar o trabalho nessa área também.

"Para mim, a parte mais significativa desta experiência tem sido reforçada para a próxima geração de pesquisadores, tal Alex, Vaisakh e Pramodh, aquele superfluido ³ Ele é um sistema intensamente interessante, "Davis disse." É um sistema tão rico e limpo, com muito a ser explorado. Eu só posso esperar que alguns dos leitores de nosso jornal também tenham essa sensação e talvez alguns deles encontrem seu caminho para estudar o superfluido ³ Ele."

Outro aspecto interessante do estudo realizado por Davis e seus colegas é que ele explora como girar um 'botão' experimental, como confinamento, pode realmente criar novos estados. Os 'botões' girados na física experimental normalmente incluem coisas como pressão, temperatura ou campo magnético.

Davis e sua equipe, por outro lado, foram capazes de controlar a física do superfluido ³ Ele está usando confinamento em nanoescala, o que é uma prática nova nesta área de pesquisa. Pode haver outros sistemas nos quais o confinamento desempenha um papel importante e também podem ser examinados usando técnicas semelhantes.

"Este é realmente apenas o começo deste projeto de pesquisa, "Davis acrescentou." Em nossos próximos estudos, realmente queremos usar nossa técnica para estudar essas paredes de domínio em detalhes. Gostaria de caracterizá-los e entender exatamente sua forma. "

Em seu trabalho futuro, os pesquisadores planejam explorar se pode haver alguma nova física dentro das paredes do domínio. Eles também gostariam de 'imprimir' os vários estados em seus diagramas de fase, para demonstrar que são capazes de compreender as propriedades das fases que descreveram em detalhe.

"Do meu lado superfluido ³ Ele também era de interesse como um exemplo de fase topológica da matéria (minha principal área de pesquisa), que se acredita hospedar excitações exóticas conhecidas como férmions de Majorana, "Joseph Maciejko, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Em termos de pesquisas futuras, a interação entre a ordem cristalina do superfluido e a física de Majorana é algo que estou muito interessado em estudar, e isso deve ser experimentalmente acessível neste sistema. "

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