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Uma colaboração de físicos australianos e europeus prevê que semicondutores 2D eletrônicos em camadas podem hospedar uma curiosa fase quântica da matéria chamada supersólido.
O supersólido é, de fato, uma fase muito contra-intuitiva. É composto de partículas que formam simultaneamente um cristal rígido e, ao mesmo tempo, fluem sem atrito, pois todas as partículas pertencem ao mesmo estado quântico único.
Um sólido torna-se ‘super’ quando suas propriedades quânticas correspondem às conhecidas propriedades quânticas dos supercondutores. Um supersólido tem simultaneamente duas ordens, sólido e super:
- sólido devido ao padrão de repetição espacial das partículas,
- super porque as partículas podem fluir sem resistência.
“Embora um supersólido seja rígido, ele pode fluir como um líquido sem resistência”, explica a principal autora, Dra. Sara Conti (Universidade de Antuérpia).
O estudo foi conduzido na UNSW (Austrália), University of Antwerp (Bélgica) e University of Camerino (Itália).
Uma jornada de 50 anos em direção ao supersólido exótico
Geoffrey Chester, professor da Cornell University, previu em 1970 que o hélio-4 sólido sob pressão deveria exibir em baixas temperaturas:
- Ordem sólida cristalina, com cada átomo de hélio em um ponto específico em uma rede regularmente ordenada e, ao mesmo tempo,
- Condensação de Bose-Einstein dos átomos, com cada átomo no mesmo estado quântico único, para que fluam sem resistência.
No entanto, nas cinco décadas seguintes, o supersólido de Chester não foi detectado de forma inequívoca.
Abordagens alternativas para formar um estado do tipo supersólido relataram fases do tipo supersólido em sistemas de átomos frios em redes ópticas. Estes são aglomerados de condensados ou condensados com densidade variável determinada pelas geometrias de captura. Essas fases semelhantes a supersólidos devem ser distinguidas do supersólido original de Chester, no qual cada partícula é localizada em seu lugar na rede cristalina puramente pelas forças que atuam entre as partículas.
O novo estudo Austrália-Europa prevê que tal estado poderia, em vez disso, ser projetado em materiais eletrônicos bidimensionais (2D) em uma estrutura semicondutora, fabricada com duas camadas condutoras separadas por uma barreira isolante de espessura d.
Uma camada é dopada com elétrons carregados negativamente e a outra com buracos carregados positivamente.
As partículas que formam o supersólido são intercamadas éxcitons, estados ligados de um elétron e um buraco unidos por sua forte atração elétrica. A barreira isolante evita a auto-aniquilação rápida dos pares de excitons ligados. As tensões aplicadas aos ‘portões’ de metal superior e inferior sintonizam a separação média r0 entre éxcitons.
A equipe de pesquisa prevê que os excitons nessa estrutura formarão um supersólido em uma ampla gama de separações de camadas e separações médias entre os excitons. A repulsão elétrica entre os excitons pode constrangê-los em uma rede cristalina fixa.
“Uma novidade importante é que uma fase supersólida com coerência quântica de Bose-Einstein aparece em separações de camadas muito menores do que a separação prevista para o sólido não superexciton que é impulsionado pela mesma repulsão elétrica entre excitons”, disse o co-autor Prof. David Neilson (Universidade de Antuérpia).
“Desta forma, o supersólido substitui o sólido não super exciton. Em separações ainda maiores, o sólido não superexciton eventualmente vence e a coerência quântica entra em colapso.“
“Este é um estado extremamente robusto, facilmente alcançável em configurações experimentais”, acrescenta o co-autor Prof Alex Hamilton (UNSW). “Ironicamente, as separações de camadas são relativamente grandes e mais fáceis de fabricar do que as separações de camadas extremamente pequenas em tais sistemas que têm sido o foco de experimentos recentes destinados a maximizar as energias de ligação do éxciton intercamada.”
Quanto à detecção, para um superfluido, é sabido que este não pode ser girado até que possa hospedar um vórtice quântico, análogo a um redemoinho. Mas formar esse vórtice requer uma quantidade finita de energia e, portanto, uma força rotacional suficientemente forte. Portanto, até este ponto, o momento de inércia rotacional medido (a medida em que um objeto resiste à aceleração rotacional) permanecerá zero. Da mesma forma, um supersólido pode ser identificado pela detecção de tal anomalia em seu momento de inércia rotacional.
A equipe de pesquisa relatou o diagrama de fase completo deste sistema em baixas temperaturas.
“Ao alterar a separação da camada em relação ao espaçamento médio do exciton, a força das interações exciton-exciton pode ser ajustada para estabilizar o superfluido, o supersólido ou o sólido normal”, disse a Dra. Sara Conti.
“A existência de um ponto triplo também é particularmente intrigante. Neste ponto, os limites de fusão supersólido e sólido normal, e a transição de supersólido para sólido normal, todos se cruzam. Deve haver uma física emocionante vinda das interfaces exóticas que separam esses domínios, por exemplo, tunelamento Josephson entre poças supersólidas embutidas em um fundo normal.”
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