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.

Super Quântico – parte 1

Se você tem algum interesse em ciência, por menor que seja, provavelmente já se deparou com expressões do tipo supercondutividade, superfluidez, etc, etc. Talvez você até saiba de onde vem o prefixo super- nessas palavras, mas se você não sabe, então este post é pra você. 😀

Nesta primeira parte, vamos discutir os “super” fenômenos que permeiam a física, e sua origem. Na parte 2 deste post, que verá a luz do dia amanhã, eu vou tocar num assunto bem recente (que motivou esses dois posts, na verdade) e bem quente: a des-descoberta da supersolidez. É isso mesmo: o mesmo cientista que anos atrás observou indícios da existência de um supersólido, agora, em um trabalho recente, mostrou que ele estava errado e ainda não há uma prova definitiva de que exista um supersólido. Sem mais blá-blá-blá, vamos ao que interessa.

Os super fenômenos da física quântica

Há alguns fenômenos, todos exclusivamente dentro do contexto da Física Quântica que carregam o sufixo super. Historicamente, os dois primeiros que foram descobertos/estudados carregam o “super” como uma forma literal de descrever o que foi observado: quando a capacidade um corpo qualquer de conduzir corrente elétrica é exacerbada enormemente, isso se chama supercondutividade. Da mesma forma, a supefluidez: um fluido que flui (será que o prof. Pasquale aprova essa?) sem resistência alguma é chamado de superfluido.

No entanto, se você procurar na literatura, vai ver que há outros “superfenômenos” quânticos nos quais não é fácil de se ver o que está aumentado, exacerbado, exagerado. Dentre eles há, por exemplo, os super-átomos ou um super-sólido. E aí como fica? Mau uso? Presunção de quem batizou essas crianças?  Na verdade nada disso.

O que acontece é que é preciso olhar para os mecanismos por trás desses fenômenos. Cada um dos quatro que eu citei acima, superfluidez, supercondutividade, super-átomos e supersolidez carregam no seu âmago uma característica em comum: eles são fenômenos coletivos (mais sobre isso aí embaixo). Dessa forma, estabelemos um paradigma único para todos os fenômenos que carregam a alcunha de “super”: mais do que exacerbar alguma característica própria, que agora se tornou uma conseqüência e não o foco, os super fenômenos são todos aqueles que carregam algum tipo de comportamento coletivo dos seus constituintes.  Mas o que é um comportamento coletivo?

Comportamento coletivo

Você já foi a uma boate? E a uma festa de São João, com quadrilha? Sim? Então você sabe a diferença entre “entidades independentes” e um “comportamento coletivo”: enquanto na boate é “cada um por si”, numa quadrilha a dança é coreografada, cada um sumindo na sua individualidade para que o todo se sobressaia.

Na boate, cada um dança na sua…

A analogia é razoável, mas vamos fazer ela mais formal: o comportamento coletivo acontece quando as partículas que constituem o sistema perdem sua individualidade e essa perda transforma o seu comportamento individual. O comportamento do grupo é completamente distinto do comportamento das suas partes. Tipicamente, esse comportamento só é encontrado em sistemas quânticos, pois aí as condições existentes (seja a energia baixa, seja a estatística que rege o sistema) permitem que as partículas se associem (não leve isso ao pé da letra) e possam se comportar como um grupo. Quando estamos num regime clássico, as partículas normalmente se comportam individualmente, sem qualquer relação entre si.

Numa outra analogia, acho que os psicólogos chamam isso de “efeito manada”. Se algum psicólogo chegar até esse ponto do texto, favor se manisfestar. 🙂

Numa quadrilha, o conjunto é que é importante…

E como isso se traduz nos sistemas super, especificamente? É isso que discutimos brevemente a seguir.

Superfluidez

Pegue um potinho de mel e um potinho de água e vire eles de cabeça pra baixo. A água flui melhor que o mel ou, em outras palavras, o mel é mais viscoso que a água. Viscosidade é essa resistência que algo tem a fluir. Asfalto, por exemplo, é super viscoso. Mesmo sendo bem fluida, ainda assim, algumas gotinhas de água ficam agarradas às paredes do copo e nesse hora você nota que mesmo um bom fluido possui algum tipo de viscosidade, especialmete quando encontra as paredes de um recipiente.

Um superfluido é a negação de tudo isso. Ele flui sem resistência alguma, não se importa com paredes e nem mesmo com tubos bem fininhos: ele simplesmente flui. Há diversos vídeos que mostram isso acontecendo com Hélio líquido superfluido. Você pode vê-los (em inglês) aqui, aqui e aqui (este com explicações em português). Você verá o líquido literalmente “subir pelas paredes” dos recipientes. É bem bonito.

Um vórtice num fluido comum…

A explicação pro fenômeno é um pouco mais difícil e envolve alguma matemática. Essencialmente, uma característica associada a superfluidos é a “delocalização” dos átomos ao longo da amostra. Trocando em miúdos: não é possível associar um átomo a uma posição dentro do fluido, pois cada um deles está “espalhado” pela amostra inteira e “todos estão em todo lugar”. Talvez a explicação seja meio simplista, mas a linha de pensamento é por aí. Uma conseqüência da superfluidez é que um superfluido não gira. Isso mesmo: se você pegar um balde cheio de supefluido e colocar ele pra rodar, o balde roda e o fluido fica quietinho. Mas tudo tem um limite, como você bem sabe. Se você rodar muito rápido o superfluido desenvolve vórtices, mais ou menos como os que a gente vê quando enche um pia e depois deixa a água escorrer pelo ralo. Um vórtice é equivalente a um redemoinho ou, se você preferir, um ciclone, um furacão…

Bom, então, só pra reforçar dois pontos que serão importantes pra entender supersólidos: os átomos em um superfluido estão delocalizados no espaço e um superfluido se recusa a girar. Guarde isso com você, voltaremos a eles.

Supercondutividade

Que alguns materiais conduzem energia elétrica você sabe, especialmente se já tomou um choque. No processo de condução, o material esquenta e isso caracteriza uma perda de energia no processo. Mas alguns materiais, quando resfriados a temperaturas muito baixas simplesmente conduzem eletricidade sem perda nenhuma, como se um superfluido de elétrons fluísse pelo condutor sem viscosidade nenhuma. É essa a supercondutividade.

Na prática, este é um negócio complicado e que ainda guarda muitas questões em aberto. De um modo geral, a teoria básica de supercondutividade diz que os elétrons juntam-se em pares, chamados pares de Cooper e estes são quem conduz eletricidade sem perdas. Mas, mais recentemente, materiais supercondutores foram descobertos a temperaturas baixas, mas nem tanto. E a teoria que supõe os pares de Cooper não funciona muito bem por lá. Há muito ainda embaixo desse pano.

Levitação na superfície de um supercondutor.

Dentre os efeitos mais bacanas relacionados a supercondutores, há o fato de que eles odeiam campos magnéticos dentro de si e expulsam qualquer um que tente entrar. Isso permite os famosos experimentos de “levitação” de ímans na superfície de supercondutores. Um vídeo bacana (em inglês, legendado em português) pode ser visto aqui.

Super-Átomos

 O conceito de super-átomo é um pouco mais direto e simples de ser entendido: dada uma coleção de átomos individuais, eles podem se arranjar de forma que o conjunto se comporta e mostra propriedade de um único átomo. Há muito interesse recente nesse tipo de fenômeno, pois esses arranjos de grandes números de átomos que imitam átomos individuais podem se tornar plataformas para o estudo de diversos fenômenos físicos e químicos sem a necessidade de se usar os átomos em si, mas os complexos que os imitam. Na prática, isso poderia adicionar uma “terceira dimensão” à nossa querida tabela periódica, onde a nova dimensão é dedicada aos complexos que imitam os átoms originais. O interesse nessa área é razoavelmente recente e deve dar muito “pano pra manga” ao longo dos próximos anos.

Super átomos podem adicionar uma nova dimensão à Tabela Periódica

Supersólidos

Bom, como a gente disse lá em cima (você chegou até aqui?), a des-descoberta da existência de um supersólido foi o que motivou este post. Por outro lado, ele também requer um extrinha de preliminares para ser explicado e este post já está longo pra caramba. É por isso que eu te convido a voltar aqui amanhã, pra segunda parte dessa história. Te vejo lá.

O café nosso de cada dia

Cena comum nos institutos de pesquisa (e, suponho eu, firmas, redações, etc, etc…): chega o estudante e vai direto, como um zumbi, para a máquina de café e com este em sua xícara para sua mesa de trabalho.

Cena igualmente comum e concomitante: o café espirra da xícara para o chão, tampo da mesa, teclado, roupa…

Isso é uma verdade absoluta, a menos que o nosso personagem esteja minimamente acordado (ou escolado) e ande da máquina de café à sua mesa equilibrando a xícara para o café não espirrar.

Apesar de estas serem verdades do nosso dia-a-dia, nunca antes tinham sido estudadas sistematicamente. Até agora.

 Hans Mayer e Rouslan Krechetnikov, escrevendo para o Physical Review E desta semana estudaram o café nosso de cada dia e os motivos pelos quais ele espirra para fora da xícara. Eles mostraram que o modo fundamental como o café oscila na xícara é facilmente atingido pelo caminhar normal de um ser humano. E que “equilibrar a xícara” significa andar de um forma a não excitar esse modo de oscilação ou pelo menos contra-balançar o tal modo à medida que se anda. No trabalho, eles desenvolvem um modelo matemático simples e eficiente para modelar os dados experimentais, medidos com pessoas de verdade e câmeras que observavam o café à medida que estas andam, tomando cuidado, ou não. Ah! Eles inclusive mostram que se você tropeçar, corre o risco de derrubar todo o café… e ter que voltar pra máquina pra começar tudo de novo… 😛

O trabalho pode ser lido em Phys. Rev. E 85, 046117 (2012). Infelizmente, eu não achei uma versão de acesso gratuito… 🙁

 

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