Supersólido gira em sincronia
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Os super-sólidos, um estado da matéria que combina a rigidez de um sólido com o fluxo sem fricção de um superfluido, apresentam uma sincronização surpreendente quando rodam. Os investigadores de Innsbruck descobriram que os vórtices quânticos - pequenos remoinhos no fluido quântico - fazem com que a precessão e a revolução da estrutura cristalina do superfluido sincronizem o seu movimento. Esta descoberta constitui uma nova ferramenta para o estudo das propriedades fundamentais dos sistemas quânticos.
Um supersólido é um estado paradoxal da matéria - é rígido como um cristal mas flui sem fricção como um superfluido. Esta forma exótica de matéria quântica só recentemente foi observada em gases quânticos dipolares. Os investigadores liderados por Francesca Ferlaino propuseram-se explorar a forma como as propriedades sólidas e superfluidas de um supersólido interagem, particularmente sob rotação. Nas suas experiências, fizeram rodar um gás quântico supersólido utilizando um campo magnético cuidadosamente controlado e observaram um fenómeno surpreendente: "As gotículas quânticas do supersólido estão numa ordem periódica cristalina, todas revestidas por um superfluido entre elas", explica Francesca Ferlaino "Cada gotícula precessa seguindo a rotação do campo magnético externo; todas giram coletivamente. Quando um vórtice entra no sistema, a precessão e a revolução começam a girar em sincronia".
"O que nos surpreendeu foi o facto de o cristal supersólido não rodar apenas de forma caótica", diz Elena Poli, que liderou a modelação teórica. "Uma vez formados os vórtices quânticos, toda a estrutura entrou em ritmo com o campo magnético externo - como se a natureza encontrasse o seu próprio ritmo."
Andrea Litvinov, que conduziu as experiências, acrescenta: "Foi emocionante ver os dados alinharem-se subitamente com a teoria. Houve um momento em que o sistema simplesmente 'entrou no ritmo'".
Uma nova sonda para a matéria quântica
A sincronização é o momento em que dois ou mais sistemas entram em ritmo um com o outro. É comum na natureza - como os relógios de pêndulo a funcionar em uníssono, os pirilampos a piscar em conjunto ou as células cardíacas a bater em sincronia. A equipa de Innsbruck mostrou que até a matéria quântica exótica pode sincronizar-se.
A descoberta não só aprofunda a compreensão deste estado invulgar da matéria, como também oferece uma nova e poderosa forma de sondar os sistemas quânticos. Ao seguir a sincronização, a equipa conseguiu determinar a frequência crítica a que os vórtices aparecem - uma propriedade fundamental dos fluidos quânticos em rotação que tem sido difícil de medir diretamente.
A equipa combinou simulações avançadas com experiências delicadas em átomos ultra-frios de disprósio, arrefecidos a apenas bilionésimos de grau acima do zero absoluto. Usando uma técnica chamada magnetostirring, conseguiram rodar o supersólido e captar a sua evolução com grande precisão.
Do laboratório para o cosmos
As descobertas poderão ter implicações para além do laboratório. Pensa-se que dinâmicas de vórtice semelhantes desempenham um papel nas "falhas" súbitas observadas nas estrelas de neutrões, alguns dos objectos mais densos do Universo. "Os super-sólidos são um campo de jogos perfeito para explorar questões que de outra forma seriam inacessíveis", diz Poli. "Embora estes sistemas sejam criados em armadilhas de laboratório de tamanho micrométrico, o seu comportamento pode ecoar fenómenos à escala cósmica."
"Este trabalho foi possível graças à estreita colaboração entre a teoria e a experiência - e à criatividade dos jovens investigadores da nossa equipa", afirma a líder do grupo, Francesca Ferlaino, do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck e do Instituto de Ótica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) da Academia Austríaca de Ciências (ÖAW). A investigação foi efectuada em parceria com o Centro Pitaevskii BEC da Universidade de Trento.
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