Os físicos criaram o primeiro material super-sólido bidimensional – exótico estágio de comando Ele se comporta como um líquido sólido e sem atrito ao mesmo tempo.
Supersólidos são materiais que átomos Eles são dispostos em uma estrutura de cristal de repetição regular, mas também são capazes de fluir para sempre sem perder qualquer energia cinética. Apesar de suas propriedades peculiares, que parecem violar muitas leis conhecidas da física, os físicos há muito o anteciparam na teoria – ele apareceu pela primeira vez como uma sugestão no trabalho do físico Eugene Gross já em 1957.
Agora, usando lasers e gases ultrafrios, os físicos finalmente conseguiram transformar um super-sólido em uma estrutura bidimensional, um avanço que poderia permitir aos cientistas decifrar a física mais profunda por trás das propriedades misteriosas da fase de matéria exótica.
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De particular interesse para os pesquisadores é como seus supersólidos bidimensionais se comportarão quando forem rolados em um círculo, junto com os minúsculos vórtices, ou vórtices, que aparecerão dentro deles.
“Esperamos que haja muito a aprender com o estudo das oscilações rotacionais, por exemplo, bem como vórtices que podem existir em um sistema 2D com muito mais facilidade do que em 1D”, disse o autor principal Matthew Norcia, físico da Universidade of Quantum Institute, Innsbruck Optics and Quantum Information (IQOQI) na Áustria, para Live Science em um e-mail.
Para criar um super-sólido, a equipe suspendeu uma nuvem de disprósio-164 átomos dentro de pinças ópticas antes de resfriar os átomos até um pouco acima de zero Kelvin (menos 459,67 graus Fahrenheit, ou menos 273,15 graus Celsius) usando uma tecnologia chamada resfriamento a laser.
Normalmente, atirar um laser contra o gás irá aquecê-lo, mas se os fótons (partículas de luz) no feixe de laser estiverem se movendo na direção oposta às partículas de gás em movimento, eles podem fazer com que as partículas de gás diminuam e esfriem. Depois de resfriar os átomos de disprósio tanto quanto possível com um laser, os pesquisadores afrouxaram o “aperto” de suas pinças ópticas, criando espaço suficiente para os átomos mais energéticos escaparem.
Como as partículas “mais quentes” vibram mais rápido do que as mais frias, essa técnica, chamada de resfriamento evaporativo, deixa os pesquisadores apenas com seus átomos super-resfriados; Esses átomos se transformaram em uma nova fase da matéria – A Condensador Bose-Einstein: Um grupo de átomos super-resfriados na faixa de um fio de cabelo zero absoluto.
Quando um gás é resfriado a uma temperatura próxima a zero, todos os seus átomos perdem sua energia, entrando nos mesmos estados de energia. Uma vez que podemos distinguir entre átomos semelhantes em uma nuvem de gás apenas observando seus níveis de energia, esta equação tem um efeito profundo: a nuvem antes díspar de átomos vibrando, saltando e colidindo que compõem o gás mais quente torna-se então, de uma mecânica quântica ponto de vista, completamente idêntico.
Isso abre a porta para algumas coisas realmente estranhas efeitos quantitativos. Uma das regras básicas do comportamento quântico, o Princípio da Incerteza de Heisenberg, diz que você não pode saber a posição e o momento de uma partícula com precisão absoluta. No entanto, depois que os átomos condensados de Bose-Einstein pararam de se mover, todo o seu momento tornou-se conhecido. Isso faz com que as posições dos átomos se tornem tão incertas que os lugares que provavelmente ocuparão aumentam em área do que os espaços entre os próprios átomos.
Em vez de átomos separados, os átomos intermediários na misteriosa esfera de Bose-Einstein agem como se fossem apenas uma partícula gigante. Isso dá a alguns capacitores de Bose-Einstein a propriedade de superfluidez – permitindo que suas moléculas fluam sem qualquer atrito. Na verdade, se você movesse um copo do líquido Bose-Einstein superfluido, ele não parava de girar.
Os pesquisadores usaram disprósio-164 (um isótopo de disprósio) porque (ao lado de seu vizinho na tabela periódica hólmio) é o mais magnético de todos os elementos descobertos. Isso significa que, quando os átomos de disprósio-164 são super-resfriados, além de se tornarem superfluidos, eles também se aglomeram em gotículas, grudando-se como minúsculos ímãs em barra.
Ao “ajustar o equilíbrio entre as interações magnéticas de longo alcance e as interações de contato de curto alcance entre os átomos”, disse Norcia, a equipe foi capaz de fazer um longo tubo unidimensional de gotículas que também contêm átomos de fluxo livre – um super-sólida unidimensionalidade. . Este era seu trabalho anterior.
Para dar o salto do supersólido 1D para o 2D, a equipe usou uma armadilha maior e baixou a intensidade dos feixes das pinças ópticas em duas direções. Isso, combinado com a manutenção de átomos suficientes na armadilha para manter uma densidade alta o suficiente, finalmente permitiu que eles criassem uma estrutura em zigue-zague de gotículas, semelhante a dois tubos opostos 1D sentados um ao lado do outro, em um 2D super-rígido.
Com a tarefa de criá-lo por trás deles, os físicos agora querem usar um super-sólido bidimensional para estudar todas as propriedades que surgem da presença dessa dimensão extra. Por exemplo, eles planejam estudar os vórtices que aparecem e ficam presos entre as gotas da matriz, especialmente porque esses vórtices de átomos, pelo menos em teoria, podem girar para sempre.
Isso também aproxima os pesquisadores dos sólidos superdimensionados e tridimensionais previstos por propostas iniciais como Gross, e até mesmo das propriedades estranhas que eles podem ter.
Os pesquisadores publicaram suas descobertas em 18 de agosto na revista natureza.
Originalmente publicado na Live Science.