Supersolidele sunt materiale care sfidează logica și așteptările. La prima vedere, un supersolid pare a fi un solid clasic, datorită structurii sale cristaline rigide, dar are și caracteristici lichide, inclusiv superfluiditatea, care îi permite să curgă fără frecare. Această coabitare a proprietăților aparent opuse a fost teoretizată de mult timp, dar până de curând, confirmarea experimentală a acestor proprietăți a rămas o provocare. O descoperire științifică recentă a dezvăluit însă existența vortexurilor cuantice într-un supersolid, confirmând astfel capacitatea acestuia de a se comporta ca un lichid superfluid. Această descoperire deschide noi perspective pentru fizica materialelor și ar putea avea aplicații revoluționare.
Un supersolid este o stare a materiei care sfidează legile clasice ale fizicii. Acest material are caracteristici paradoxale: este atât solid, cât și superfluid. Cu alte cuvinte, un supersolid își menține forma rigidă, ca un solid, prezentând în același timp capacitatea unică a unui lichid superfluid. Superfluiditatea este un fenomen cuantic în care un fluid curge fără frecare, chiar și la temperaturi extrem de scăzute. Acest lucru permite fluidului să urce pe pereții unui container sau să se miște la nesfârșit fără a se opri vreodată. Acest fenomen a fost observat pentru prima dată în anii 1930 cu heliu-4 și de atunci a fost o zonă fascinantă de studiu pentru fizicieni.
Una dintre cele mai interesante caracteristici ale superfluidității este formarea de vortexuri cuantice. Aceste mici spirale de energie se formează atunci când un fluid superfluid este rotit. Ele sunt un indicator cheie al superfluidității, dar observarea lor este dificilă, în special în sisteme complexe, cum ar fi supersolidele. Acum este gata. Într-un nou studiu, publicat în revista Nature, o echipă condusă de fizicianul Francesca Ferlaino a făcut o descoperire prin crearea de vortexuri cuantice într-un supersolid bidimensional.
Pentru a efectua acest experiment complex, cercetătorii au folosit gaze ultra-reci de atomi de erbiu, cunoscute pentru proprietățile lor dipolare (atomii de erbiu au un moment dipol magnetic mare, ceea ce îi face deosebit de potriviți pentru acest tip de experiment). Atomii au fost răciți la temperaturi apropiate de zero absolut, creând un gaz cuantic în care efectele mecanicii cuantice devin predominante. Acest gaz a fost apoi manipulat într-o stare supersolidă, o fază în care atomii, deși aranjați într-o structură cristalină obișnuită ca un solid, posedă proprietăți fluide.
Pentru a explora superfluiditatea acestui supersolid, cercetătorii au folosit câmpuri magnetice pentru a roti gazul ultrarece al atomilor de erbiu. Provocarea aici a fost de a crea mișcare fără a perturba structura fragilă a supersolidului, deoarece chiar și un mic exces de energie ar putea destabiliza starea supersolidului. Câmpurile magnetice au făcut posibilă rotirea blândă a supersolidului, păstrând în același timp coeziunea cristalină. Această agitație a provocat formarea de vortexuri cuantice. Rețineți că spre deosebire de vârtejurile clasice observate în apă sau alte lichide, vârtejurile cuantice dintr-un fluid superfluid sunt extrem de mici și bine definite, fiind cuantificate. Aceasta înseamnă că ele apar în blocuri mici de energie, un aspect fundamental al mecanicii cuantice.
După cum era de așteptat, cercetătorii au observat că vortexurile dintr-un supersolid s-au comportat diferit de cele observate în fluidele cuantice clasice, cum ar fi heliul-4. Mai exact, în heliu-4, un fluid cuantic bine studiat, superfluiditatea se manifestă ca fluide care pot curge fără rezistență. Cu toate acestea, într-un supersolid, un material care este atât solid, cât și fluid, vortexurile cuantice arată că superfluiditatea coexistă cu rigiditatea solidului. Cu alte cuvinte, chiar dacă supersolidul își păstrează forma rigidă, se poate comporta ca un fluid în rotație fără a pierde energie. Această coexistență, prezisă de teorie, a fost așadar confirmată de acest experiment.
Această descoperire constituie un progres major nu numai pentru fizica fundamentală, ci și pentru știința materialelor. Acesta deschide calea pentru noi cercetări asupra modului în care proprietățile materialelor pot fi manipulate la scară cuantică și ar putea avea aplicații revoluționare. De exemplu, supersolidele și proprietățile lor de superfluiditate ar putea fi folosite pentru a dezvolta noi tipuri de supraconductori care transportă electricitate fără pierderi de energie sau chiar pentru a simula fenomene extreme observate în medii astrofizice. Stelele neutronice, de exemplu, prezintă comportamente misterioase numite ”glitches”, schimbări rapide ale vitezei de rotație. Aceste anomalii ar putea fi cauzate de vortexurile superfluide care se formează în interiorul acestor stele. Studiind vortexurile cuantice din supersolide, oamenii de știință speră să înțeleagă mai bine aceste fenomene și să le reproducă în laborator.
