Super Quântico – parte 2

Bem vindo à segunda parte da nossa conversa sobre os superfenômenos da Física. Se você não leu a primeira, pode fazê-lo neste link aqui. Se está com preguiça, eu resumo o que há de importante nessa história:

  • Fenômenos quânticos ganham o nome de “super” quando o mecanismo por trás deles é dito um comportamento coletivo
  • Os mais conhecidos são a superfluidez, a supercondutividade, os super-átomos e os supersólidos
  • Superfluidos, em especial, carregam duas características importantes para a discussão a seguir: os átomos de um superfluido são delocalizados, ou seja, não é possível assinalar uma posição no espaço para cada um deles e um superfluido é irrotacional: se você tentar rodá-lo, ele ficará paradinho.

Tudo isso pra dizer que neste post vamos nos focar num único assunto, bem recente e bem quente (e que motivou toda a discussão): a des-descoberta da existência de uma fase super-sólida em Hélio. É isso mesmo: alguns anos atrás, um pesquisador mostrou que Hélio sólido, sob certas condições transformava-se em um super-sólido. Neste ano, ele mesmo mostrou que estava errado. Sem mais delongas, vamos cair de cabeça no tópico.

O que é um sólido?

Via de regra, um sólido é um arranjo periódico e bem definido de átomos, igualmente espaçados, formando uma rede, muitas vezes chamada rede cristalina. Esse tipo de arranjo é fácil de visualizar, mas eu ajudo você e coloco uma versão simplificada na imagem abaixo.

Um sólido real, obviamente, é tridimensional, e o arranjo dos átomos pode tomar diferentes formas e não apenas a triangular (você vê que a unidade básica é um triângulo nesse caso?) que é mostrada na figura. Mas a ideia é essa.

Tem algo sobre sólidos reais que falta dizer e que é importante: eles não são arranjos perfeitos. Sabe os pontinhos pretos da figura? Num sólido real alguns desses falham, são vazio, chamados de vacâncias ou “defeitos” mesmo. Eles não precisam nem ser vazios da rede cristalina, mas preenchidos por outro átomos, espécies, etc. Essas vacâncias terão um papel essencial no que é um supersólido. Mas, afinal…

O que é um supersólido?

Eu queria que houvesse uma resposta fácil, mas não tem, então lá vai: um supersólido é um sólido, como o descrito acima, mas que também é superfluido. Pronto falei. Você percebe quão bizarra é essa definição? Sim? Não? Vamos lá: num sólido, os átomos estão localizados em posições fixas no espaço, numa rede ordenada. Num superfluido, eles estão delocalizados espacialmente, estão aqui, ali e em todo lugar ao mesmo tempo, sem um ordem cristalina. Pois um supersólido é exatamente a coexistência dessas duas propriedades aparentemente antagônicas: a ordem de um sólido com a delocalização de um superfluido. Repete aí comigo, vai: “Ah! Como é linda a mecânica quântica e os nós que ela dá na nossa cabeça!”

Como um sólido pode ser superfluido?

Pois é. Eu também me pergunto isso. Mas os teóricos dizem que pode e abaixo eu tento traduzir o que eu entendi pra vocês. Lembra das vacâncias? Os defeitos da rede cristalina? São eles que fazem parte da mágica aqui. Lembre-se que aqui estamos falando de mecânica quântica, então em uma determinada posição do espaço, não há apenas uma vacância ou um átomo mas uma superposição dos dois, uma vacância E um átomo. Além disso, se uma vacância efetivamente se move pra esquerda, isso é equivalente a termos átomos se movendo para a direita. Agora, num supersólido, as vacâncias são superfluidas: elas estão delocalizadas por toda a rede cristalina e se movem livremente. Logo, a rede cristalina, formada pelos átomos, também se move sem qualquer resistência, como um superfluido, mas mantém seu ordenamento espacial intacto. Bizarro, não? Mas a ideia é por aí.

Como tudo o que envolve superfluidez começa de alguma forma com o estudo de Hélio, também este é o caso para supersólidos. A proposta é que quando Hélio se solidifica, um sólido normal, a princípio, mesmo em temperaturas muito baixas, ele tem uma quantidade apreciável de vacâncias, defeitos que não aparecem em outros sólidos convencionais quando a temperatura se aproxima do zero absoluto. Quando se resfria esta sólido, as vacâncias tornam-se um superfluido e aí, bingo: temos um supersólido.

E aí, como efetivamente observar esse fenômeno tão bizarro? Bom, coube a Kim e Chan em 2004 a “descoberta” de supersolidez em Hélio sólido, tendo descrito seus trabalhos aqui: E. Kim and M. H. W. Chan, “Probable Observation of a Supersolid Helium Phase,” Nature 427, 225 (2004); E. Kim, “Observation of Superflow in Solid Helium,” Science305, 1941 (2004). Vamos ver como isso funciona.

A (incorreta) observação de Hélio supersólido

Lembra que eu falei pra você lembrar que uma das principais características de um superfluido é a sua resistância a girar? Pois agora vamos usar esse fato. O que Kim e Chan fizeram foi colocar Hélio em um “recipiente” de Vycor, um tipo de vidro. Colocado sob pressão, Hélio se torna um sólido dentro deste recipiente. Esse conjunto, na forma de uma pizza (de massa grossa) é colocado pra rodar num “pêndulo de torção” que é o sisteminha simples que você vê na figura abaixo.

 O experimento é razoavelmente simples de se entender: a freqüência com que o pêndulo oscila depende da massa dentro do prato, através de uma quantidade chamada momento de inércia. Quando o prato é resfriado, uma mudança nessa frequência de oscilação indica que alguma fração da massa presente “se desacoplou” do pêndulo. Alguém aí leu “se desacoplou” como “parou de girar”? Pois os autores do trabalho fizeram essa mesma interpretação: a freqüência mudou ao se resfriar o prato (abaixo de 200 mK) porque parte do Hélio sólido tornou-se superfluido, ou seja, um supersólido, e, como todo bom superfluido, recusa-se a girar.

O fato é que os autores fizeram a “tarefa de casa” e realizaram inúmeros experimentos de controle, sempre com resultados apontando qua a única solução possível para a mudança na oscilação do pêndulo era a existência de uma fração supersólida lá dentro. Jackpot!

De fato, ao longo dos meses e anos seguintes, diversos outros experimentos observaram o mesmo comportamento. No entanto, havia discrepâncias sérias na magnitude da mudança da freqüência de oscilação. A coisa ficou ainda mais séria quando, ao realizarem experimentos controlando a quantidade de vacâncias presentes, ou seja, a quantidade de Hélio que poderia se tornar supersólido, foram observados alguns resultados contraditórios. Em outras palavras: quando se esperava mais super-sólido presente, ou seja, uma mudança maior na freqüência de oscilação, o efeito observado era contrário. E vice-versa.

Isso fez com que muitos teóricos se debrussassem sobre o problema, oferecendo sólidos argumentos contra a existência de um supersólido no experimento original. As propostas estimularam novos experimentos a fim de confirmar e/ou rejeitar solidamente o suposto super-sólido.

Os novos experimentos

A proposta dos teóricos era de que Hélio sólido poderia modificar suas propriedades com a temperatura tão baixa e isso teria uma conseqüência que poderia ser confundida com a existência de um supersólido. Em especial, o módulo de cisalhamento poderia mudar. Apesar do nome feio, essa é apenas a forma de se quantificar a tendência de um sólido a se deformar. E se Hélio sólido ficar mais “duro” com a temperatura, ele pode sim modificar o comportamento do pêndulo de torção.

Pois este ano, Kim e Chan, os mesmos pesquisadores que “observaram” o supersólido, com um experimento similar ao de 2004 mas desenhado para evitar efeitos na mudança deste módulo de cisalhamento, fizeram novas medidas. E a freqüência de oscilação do pêndulo não muda. Ou seja: não há supersólido no sistema deles. A pesquisa foi publicada aqui: Phys. Rev. Lett. 109, 155301 (2012) e talvez seja a primeira vez que eu vejo um resultado “negativo” ser publicado numa revista tão conceituada.

Toda essa história mostra bem como a ciência funciona: observa-se, testa-se, testa-se mais, e mais e mais até que as hipóteses todas são testadas e confirmadas e/ou rejeitadas. E aí testa-se mais um pouco à medida que aprende-se novos aspectos da ciência. A graça aqui está na “dramaticidade” da história, com o mesmo pesquisador observando e des-observando algo que, se fosse verdadeiro, poderia colocá-lo na pista expressa para o prêmio Nobel. Agora, não mais.

E agora, José?

Bom, agora a busca continua. Enquanto alguns pesquisadores não acreditam que um super-sólido, essa fase tão bizarra da matéria possa existir, outros afirmam que, matematicamente, ela tem que existir (não me pergunte os detalhes). Uma opção são gases quânticos com interações dipolares, que deveriam mostrar fases que se parecem com um super-sólido, mas em um gás. A única certeza que se tem é que a  procura continua e a vaga na “pista expressa” na direção de Estocolmo pela observação de supersolidez continua aberta.

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Discussão - 3 comentários

  1. Gleisson disse:

    Excelente esse blog , pra mim foi um verdadeiro achado. Visitarei com frequência. abçs

  2. Pedro Alves da Cunha disse:

    Muito interessante o post, mas fiquei pensando aqui em outro “super” que eu tenho ouvido falar bastante (em uma série de tv americana), os elementos superpesados. A idéia por trás seria a mesma de comportamento coletivo gerando uma característica “potencializada” (no caso, peso), ou o que é mais provável, é um fenômeno bem mais complicado que isso?
    A propósito, adorei o blog, parabéns.

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