O padrão de bolinhas derruba a hipótese do superfluido

Comportamentos exóticos surgem nos átomos quando resfriados a quase zero absoluto, uma temperatura tão fria que os átomos cessam seu movimento nervoso. Ao trazer o isótopo hélio-3 à beira desse limiar e confiná-lo a um espaço minúsculo, os pesquisadores de Cornell descobriram que um surpreendente padrão de bolinhas apareceu espontaneamente no superfluido.

"Encontramos evidências claras de um padrão surgindo, essencialmente do nada. Os sistemas não devem fazer isso", disse Jeevak Parpia, MS '77, Ph.D. '79, professor de física especializado em física de baixa temperatura.

O trabalho foi descrito no artigo "Evidence for a Spatialy Modulated Superfluid Phase of 3He Under Confinement", publicado em fevereiro na Physical Review Letters. Parpia colaborou com pesquisadores da Royal Holloway, Universidade de Londres, (liderados pelo professor de física John Saunders e pelo pesquisador Lev Levitin), onde os experimentos foram conduzidos usando câmaras de confinamento especiais construídas em Cornell.

Os superfluidos são sistemas quânticos exóticos que se comportam de maneira unificada, sem resistência ou viscosidade. Quando resfriado a alguns graus acima do zero absoluto, o hélio-3 líquido (um isótopo composto de dois prótons e um único nêutron) abandona seu movimento aleatório em favor do movimento coordenado. O material pode ser descrito como uma única função de onda com propriedades específicas.

O estado superfluido do hélio líquido tem sido um tópico importante de pesquisa desde sua descoberta no início dos anos 1970 em Cornell. O trabalho rendeu aos físicos de Cornell David M. Lee, Robert C. Richardson e Douglas Osheroff, MS '71, Ph.D. '73, o Prêmio Nobel de 1996 e iniciou décadas de pesquisa para entender melhor a física quântica.

Duas fases do superfluido hélio-3 (fase A, fase B) são conhecidas. No início dos anos 2000, na Northwestern University, os físicos teóricos James Sauls e Anton Vorontsov propuseram que a fase B se organizaria em um padrão listrado de orientações positivas e negativas em proporções iguais quando confinado a um espaço quase bidimensional.

O teste da hipótese foi frustrado devido à dificuldade de projetar um dispositivo de confinamento de apenas um mícron - um milionésimo de metro - de altura. Os pesquisadores da Cornell projetaram e construíram câmaras especiais de ressonância magnética no Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF), com dimensões de 1 centímetro de comprimento e largura e 1,1 mícron de altura, criando uma cavidade quase plana para realizar seus experimentos.

Ao confinar o superfluido, os físicos descobriram que o estado do superfluido divergia em domínios positivos e negativos, com o domínio positivo aparecendo em quatro vezes a concentração do negativo. As descobertas descartaram o padrão listrado, sugerindo, em vez disso, uma matriz regular ou desordenada de domínios insulares – em outras palavras, bolinhas.

O aparecimento de um padrão espontâneo é evidência de quebra de simetria, uma ocorrência incomum. "Normalmente, esses padrões impõem um custo significativo em energia, mas a bolinhas parece reduzir seu custo de energia o suficiente para compensar", disse Parpia. Ele disse que as descobertas podem um dia ajudar a informar os princípios usados ​​para a computação quântica.

"Criar uma câmara com altura uniforme estendendo-se por uma distância tão grande é notável. É difícil criar esquemas que mantenham esse perfil", disse Parpia.

A câmara foi projetada por Robert Bennett enquanto trabalhava como pesquisador associado de pós-doutorado e criada por Nikolay Zhelev, MS '13, Ph.D. '16.

“Os superfluidos são materiais notáveis ​​e continuamos a nos surpreender com sua riqueza e comportamento inesperado quando os confinamos em sistemas cada vez menores”, disse Parpia. "As descobertas dessas formas exóticas de matéria em um sistema que podemos controlar com grande precisão nos fornecem conhecimentos que podem ser aplicados a sistemas eletrônicos mais práticos."

O CNF é apoiado pela Cornell, National Science Foundation (NSF), Divisão de Ciência, Tecnologia e Inovação do Empire State Development, parceiros da indústria e outros usuários. A pesquisa foi apoiada por doações do Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido, da NSF (nos EUA) e da European Microkelvin Platform (no Reino Unido).