A confirmação experimental de vórtices supersólidos abre a perspectiva de fazer e estudar análogos de laboratório de estrelas de nêutrons em rotação.
Universidade de Insbruck
Uma simulação de um supersólido, mostrando o padrão de interferência produzido pelos átomos que escapam da armadilha óptica onde o supersólido se forma. A presença de um vórtice no supersólido faz com que uma forma escura com braços espirais apareça no centro do padrão. Os investigadores detectaram esta forma espiral para fornecer evidências experimentais da formação de vórtices num supersólido.
Universidade de Insbruck
Uma simulação de um supersólido, mostrando o padrão de interferência produzido pelos átomos que escapam da armadilha óptica onde o supersólido se forma. A presença de um vórtice no supersólido faz com que uma forma escura com braços espirais apareça no centro do padrão. Os investigadores detectaram esta forma espiral para fornecer evidências experimentais da formação de vórtices num supersólido.
Um supersólido é uma contradição ambulante ou, mais precisamente, uma contradição “fluida”. Esta fase da matéria se comporta como um fluido de viscosidade zero, ao mesmo tempo que exibe uma estrutura cristalina sólida. A primeira evidência sólida de supersólidos apareceu em 2019 em experiências com átomos ultrafrios presos em redes ópticas, mas uma das principais características previstas – a formação de vórtices – passou despercebida até agora. Pesquisadores da Universidade de Innsbruck, na Áustria, relatam medir buracos de densidade em uma nuvem de átomos ultrafrios, o que confirma que vórtices realmente se formam em supersólidos (1). A equipe planeja usar sua configuração para explorar uma possível conexão entre supersólidos e estrelas de nêutrons.
Sugestões teóricas de supersólidos apareceram há mais de 60 anos como parte de investigações sobre o comportamento dos superfluidos. A superfluidez – observada pela primeira vez no hélio líquido – é um fenômeno quântico no qual os átomos do fluido fluem de forma coerente, como se estivessem todos interligados. Os supersólidos são uma forma de superfluido em que a densidade assume um padrão periódico de regiões altas e baixas. “Há uma tendência para os átomos se organizarem espontaneamente em pequenas ‘montanhas’ e ‘vales’”, explica Francesca Ferlaino, da Universidade de Innsbruck. Se o fluido fosse manteiga de amendoim, alternaria entre cremoso e grosso.
F. Ferlaino/Universidade de Innsbruck
Um perfil de densidade projetado de um supersólido (parte inferior). Os dados são mapeados em uma paisagem (topo) de “montanhas” e “vales”. Em novas experiências, os investigadores rodaram um supersólido como este e observaram vórtices nas regiões de vale de baixa densidade.
F. Ferlaino/Universidade de Innsbruck
Um perfil de densidade projetado de um supersólido (parte inferior). Os dados são mapeados em uma paisagem (topo) de “montanhas” e “vales”. Em novas experiências, os investigadores rodaram um supersólido como este e observaram vórtices nas regiões de vale de baixa densidade.
Há cinco anos, o grupo de Ferlaino e duas outras equipes detectaram os sinais dessa robustez em gases de átomos que interagem magneticamente, resfriados até perto do zero absoluto em armadilhas ópticas em forma de charuto (ver Ponto de vista: gases quânticos dipolares tornam-se supersólidos). Os pesquisadores observaram variações semelhantes a vales montanhosos na densidade do gás ao longo do longo eixo de suas respectivas armadilhas.
Experiências subsequentes registaram outras assinaturas supersólidas, mas a formação de vórtices revelou-se mais difícil de observar. Os superfluidos desenvolvem vórtices quando o sistema gira acima de uma certa velocidade. Cada um desses vórtices é como um pequeno redemoinho, mas a quantidade de fluxo ao redor do centro é quantizada, o que significa que assume apenas valores discretos. “Os vórtices são uma prova definitiva da superfluidez”, diz o experimentalista Giovanni Modugno, que estuda supersólidos na Universidade de Florença, na Itália. Ele diz que detectar vórtices em supersólidos tem sido muito difícil porque eles vivem nas regiões de baixa densidade do sistema.
Ferlaino e seus colegas trabalharam durante quase dois anos projetando um experimento que pudesse revelar o comportamento do vórtice em um supersólido. O principal desafio foi conceber um método para girar o supersólido que preservasse sua frágil coerência. Com base em trabalhos teóricos anteriores (2), a equipe desenvolveu um método de “agitação magnética” que consistia em um campo magnético girando em torno de uma armadilha óptica. Dentro da armadilha, eles colocaram um gás de átomos de disprósio, cada um com um momento de dipolo magnético. O gás responde ao campo magnético formando uma forma alongada que gira em sintonia com o campo. Ao ajustar a intensidade do campo magnético, os pesquisadores puderam controlar as interações entre os átomos, fazendo com que eles se condensassem em um supersólido ou em um superfluido suave.
Os pesquisadores variaram a taxa de rotação em seu experimento e observaram se vórtices se formavam no gás antes de sua coerência desaparecer (após cerca de 1 segundo). Para detectar vórtices, os pesquisadores tiraram uma imagem do gás e procuraram “buracos” de densidade zero nos vales de baixa densidade onde se espera que os vórtices se encontrem. Para tornar estes buracos mais visíveis, os investigadores desenvolveram um protocolo que efetivamente “derrete” o supersólido, enviando átomos das montanhas para os vales e aumentando o contraste de densidade em torno dos vórtices. A equipe também realizou experimentos separados onde observaram a interferência entre os átomos, encontrando um padrão specific (uma forma espiral escura) que sinalizava a presença de vórtices no supersólido.
A equipe de Ferlaino descobriu que alguns vórtices apareciam no gás quando a taxa de rotação estava acima de um valor crítico. Para o supersólido, essa taxa de rotação crítica foi de cerca de 10 rotações por segundo. Em comparação, os vórtices apareceram no superfluido de densidade suave apenas para rotações acima de 30 rotações por segundo. A relativa facilidade de formação de vórtices em um supersólido tem a ver com os vales de baixa densidade do supersólido, onde há menos materials para “perfurar” para criar um vórtice.
A confirmação da existência de vórtices em um supersólido ainda deixa em aberto a questão de como eles podem ser compatíveis com uma rede cristalina. Ferlaino admite que os resultados parecem contra-intuitivos, mas explica que os átomos não estão fixados em locais da rede. “Existe uma estrutura cristalina no supersólido, mas não é totalmente rígida”, diz ela.
“Estou muito entusiasmado com estes desenvolvimentos, pois estão a abrir os supersólidos recentemente descobertos a uma vasta gama de estudos”, diz Blair Blakie, um teórico que estuda gases ultrafrios na Universidade de Otago, na Nova Zelândia. Ele diz que os experimentalistas superaram muitos desafios para gerar e observar os vórtices. “Os supersólidos dipolares têm vidas relativamente limitadas e o processo de excitação dos vórtices leva tempo”, diz ele. “A equipe encontrou uma janela onde poderia obter resultados.”
Modugno também está impressionado com o experimento de Innsbruck, pois acrescenta outra evidência da existência de supersólidos. No futuro, ele gostaria de ver medições do momento angular em torno de um vórtice supersólido, pois isso poderia ser comparado com medições recentes que seu grupo fez de outra quantidade, a fração superfluida, que caracteriza a rigidez de um supersólido (3). Tanto Modugno quanto Blakeie também estão interessados no potencial do uso de supersólidos para estudar o inside de uma estrela de nêutrons (ver Sinopse: “Massa” quente sob a crosta de uma estrela). Algumas teorias prevêem que as estrelas de nêutrons têm uma camada supersólida e que os vórtices dentro dessa camada são os que impulsionam as acelerações observadas, chamadas falhas, na taxa de rotação das estrelas de nêutrons. Ferlaino espera construir em seu laboratório uma estrela de nêutrons análoga que possa testar essa conexão vórtice-falha.
–Michael Schirber
Michael Schirber é editor correspondente da Revista Física com sede em Lyon, França.
Referências
E. Casotti, “Observação de vórtices em um supersólido dipolar,” Natureza635327 (2024).
SB Prasad e outros.“Formação de rede de vórtices em condensados dipolares de Bose-Einstein by way of rotação da polarização,” Física. Rev.100023625 (2019).
G. Biagioni e outros.“Medição da fração superfluida de um supersólido pelo efeito Josephson,” Natureza629773 (2024).
Ao contrário da sabedoria convencional, uma rede de nanopartículas projetadas chamadas metaátomos pode ter uma resposta óptica quiral mesmo quando cada metaátomo não é quiral. Leia mais »
