Um gás superfluido rotativo de férmions perfurado por vórtices. Crédito de imagem: MIT. Clique para ampliar.
Os cientistas do MIT trouxeram um fim super-frio a uma corrida acalorada entre os físicos: eles se tornaram os primeiros a criar um novo tipo de matéria, um gás de átomos que mostra superfluidez a alta temperatura.
Seu trabalho, a ser relatado na edição de 23 de junho da Nature, está intimamente relacionado à supercondutividade dos elétrons nos metais. Observações de superfluidos podem ajudar a resolver questões remanescentes sobre supercondutividade em alta temperatura, que tem aplicações difundidas de ímãs, sensores e transporte de energia com eficiência energética, disse Wolfgang Ketterle, ganhador do Nobel que chefia o grupo MIT e que é John D. MacArthur Professor de Física.
Ver o gás superfluido tão claramente é um passo tão dramático que Dan Kleppner, diretor do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, disse: “Esta não é uma arma fumegante para o superfluidez. Isso é um canhão.
Por vários anos, grupos de pesquisa em todo o mundo estudam gases frios dos chamados átomos fermiônicos com o objetivo final de encontrar novas formas de superfluidez. Um gás superfluido pode fluir sem resistência. Pode ser claramente distinguido de um gás normal quando é girado. Um gás normal gira como um objeto comum, mas um superfluido só pode girar quando formar vórtices semelhantes aos mini-tornados. Isso dá a um superfluido rotativo a aparência do queijo suíço, onde os buracos são os núcleos dos mini-tornados. "Quando vimos a primeira imagem dos vórtices aparecer na tela do computador, foi simplesmente de tirar o fôlego", disse o estudante de graduação Martin Zwierlein ao se lembrar da noite de 13 de abril, quando a equipe viu pela primeira vez o gás superfluido. Por quase um ano, a equipe trabalhava para tornar os campos magnéticos e os raios laser muito redondos para que o gás pudesse ser rotacionado. "Era como lixar os solavancos de uma roda para torná-la perfeitamente redonda", explicou Zwierlein.
“Nos superfluidos, bem como nos supercondutores, as partículas se movem em sincronia. Eles formam uma grande onda mecânica quântica ”, explicou Ketterle. Esse movimento permite que os supercondutores transportem correntes elétricas sem resistência.
A equipe do MIT conseguiu visualizar esses vórtices superfluidos a temperaturas extremamente baixas, quando o gás fermiônico foi resfriado a cerca de 50 bilionésimos de grau Kelvin, muito próximo do zero absoluto (-273 graus C ou -459 graus F). "Pode parecer estranho chamar superfluidez a 50 nanokelvin de alta temperatura, mas o que importa é a temperatura normalizada pela densidade das partículas", afirmou Ketterle. "Agora alcançamos de longe a temperatura mais alta de todos os tempos". Escalada até a densidade de elétrons em um metal, a temperatura de transição superfluida nos gases atômicos seria maior que a temperatura ambiente.
Os membros da equipe de Ketterle eram os alunos de pós-graduação do MIT Zwierlein, Andre Schirotzek e Christian Schunck, todos membros do Center for Ultracold Atoms, assim como o ex-aluno Jamil Abo-Shaeer.
A equipe observou superfluidez fermiônica no isótopo de lítio-6, composto por três prótons, três nêutrons e três elétrons. Como o número total de constituintes é ímpar, o lítio-6 é um férmion. Usando técnicas de resfriamento por laser e por evaporação, eles resfriaram o gás próximo ao zero absoluto. Eles prenderam o gás no foco de um raio laser infravermelho; os campos elétrico e magnético da luz infravermelha mantinham os átomos no lugar. O último passo foi girar um feixe de laser verde ao redor do gás para colocá-lo em rotação. Uma imagem sombria da nuvem mostrava seu comportamento superfluído: a nuvem era perfurada por uma série regular de vórtices, cada um do mesmo tamanho.
O trabalho é baseado na criação anterior do grupo MIT de condensados de Bose-Einstein, uma forma de matéria na qual as partículas se condensam e agem como uma grande onda. Albert Einstein previu esse fenômeno em 1925. Mais tarde, os cientistas perceberam que a condensação e a superfluidez de Bose-Einstein estão intimamente relacionadas.
A condensação de Bose-Einstein de pares de férmions unidos frouxamente como moléculas foi observada em novembro de 2003 por equipes independentes da Universidade do Colorado em Boulder, da Universidade de Innsbruck na Áustria e do MIT. No entanto, observar a condensação de Bose-Einstein não é o mesmo que observar a superfluidez. Estudos adicionais foram realizados por esses grupos e na Ecole Normale Superieure de Paris, Duke University e Rice University, mas as evidências de superfluidez foram ambíguas ou indiretas.
O gás Fermi superfluido criado no MIT também pode servir como um sistema modelo facilmente controlável para estudar propriedades de formas muito mais densas de matéria fermiônica, como supercondutores sólidos, estrelas de nêutrons ou o plasma de quarks e glúons que existiam no universo primitivo.
A pesquisa do MIT foi apoiada pela National Science Foundation, pelo Escritório de Pesquisa Naval, pela NASA e pelo Escritório de Pesquisa do Exército.
Fonte original: Comunicado de imprensa do MIT
