Em um novo estudo, cientistas do Instituto Indiano de Ciência (IISc) demonstraram experimentalmente a existência de duas espécies de poucas bolhas de elétrons (FEBs) no hélio superfluido pela primeira vez. Esses FEBs podem servir como um modelo útil para estudar como os estados de energia dos elétrons e as interações entre eles em um material influenciam suas propriedades.

A equipe incluiu Neha Yadav, um ex-Ph.D. estudante do Departamento de Física, Prosenjit Sen, Professor Associado do Centro de Nano Ciência e Engenharia (CeNSE) e Ambarish Ghosh, Professor do CeNSE. O estudo foi publicado em Avanços da Ciência .

Um elétron injetado em uma forma superfluida de hélio cria uma única bolha de elétrons (SEB) - uma cavidade que é livre de átomos de hélio e contém apenas o elétron. O formato da bolha depende do estado de energia do elétron. Por exemplo, a bolha é esférica quando o elétron está no estado fundamental (1S). Existem também MEBs - múltiplas bolhas de elétrons que contêm milhares de elétrons.

FEBs, por outro lado, são cavidades do tamanho de nanômetros no hélio líquido contendo apenas um punhado de elétrons livres. O número, o estado e as interações entre os elétrons livres ditam as propriedades físicas e químicas dos materiais. Estudando FEBs, Portanto, poderia ajudar os cientistas a entender melhor como algumas dessas propriedades surgem quando alguns elétrons presentes em um material interagem uns com os outros. De acordo com os autores, compreender como FEBs são formados também pode fornecer insights sobre a automontagem de materiais macios, o que pode ser importante para o desenvolvimento de materiais quânticos de próxima geração. Contudo, os cientistas apenas teoricamente previram a existência de FEBs até agora. "Agora observamos os FEBs experimentalmente pela primeira vez e entendemos como eles são criados, "Yadav diz." Esses são novos objetos legais com grandes implicações se pudermos criá-los e prendê-los. "

Yadav e seus colegas estavam estudando a estabilidade de MEBs em nanômetros quando observaram FEBs por acaso. Inicialmente, eles estavam exultantes e céticos. "Foram necessários um grande número de experimentos antes de nos certificarmos de que esses objetos eram de fato FEBs. Então, foi certamente um momento tremendamente empolgante, "diz Ghosh.

Os pesquisadores primeiro aplicaram um pulso de voltagem a uma ponta de tungstênio na superfície do hélio líquido. Em seguida, eles geraram uma onda de pressão na superfície carregada usando um transdutor ultrassônico. Isso permitiu que eles criassem 8EBs e 6EBs, duas espécies de FEBs contendo oito e seis elétrons respectivamente. Esses FEBs foram considerados estáveis ​​por pelo menos 15 milissegundos (mudanças quânticas normalmente acontecem em escalas de tempo muito mais curtas), o que permitiria aos pesquisadores capturá-los e estudá-los.

"FEBs formam um sistema interessante que tem interação elétron-elétron e interação elétron-superfície, "Yadav explica.

Existem vários fenômenos que os FEBs podem ajudar os cientistas a decifrar, como fluxos turbulentos em superfluidos e fluidos viscosos, ou o fluxo de calor no hélio superfluido. Assim como como a corrente flui sem resistência em materiais supercondutores em temperaturas muito baixas, O hélio superfluido também conduz o calor com eficiência em temperaturas muito baixas. Mas defeitos no sistema, chamados vórtices, pode diminuir sua condutividade térmica. Uma vez que FEBs estão presentes no núcleo de tais vórtices - como os autores descobriram neste estudo - eles podem ajudar no estudo de como os vórtices interagem entre si, bem como o calor que flui através do hélio superfluido.

"Num futuro imediato, gostaríamos de saber se existe alguma outra espécie de FEBs, e entender os mecanismos pelos quais alguns são mais estáveis ​​do que outros, "Ghosh diz." A longo prazo, gostaríamos de usar esses FEBs como simuladores quânticos, para o qual é necessário desenvolver novos tipos de esquemas de medição. "