Líquido quântico torna-se sólido quando aquecido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/05/2023

Os átomos disformes e fluidos do líquido (esquerda) se organizam e criam um estado ordenado, um cristal quântico (direita).
[Imagem: J. Sánchez-Baena et al. - 10.1038/s41467-023-37207-3]

Aquecimento que solidifica

Aumentar a temperatura de um material aumenta o movimento térmico das suas partículas constituintes.

E esse aumento na energia térmica geralmente leva à fusão de um sólido em um fluido e, prosseguindo, vaporiza o líquido em uma fase gasosa da matéria.

Mas as coisas não são bem assim quando falamos da matéria quântica, a matéria na qual o que impera não é o comportamento do tipo partícula - átomos vistos como bolinhas que formam cristais fixos -, mas seu comportamento como ondas.

Em 2019, três grupos de pesquisa conseguiram demonstrar que gases quânticos ultrafrios podem apresentar propriedades sólidas e superfluidas simultaneamente - eles se tornam o que é conhecido como um "supersólido".

Isso é notável quando lembramos que um sólido típico é marcado pela rigidez de sua estrutura cristalina; um fluido não apresenta essa rigidez e, por sua vez, um superfluido é um fluido com viscosidade zero.

A pesquisadora Claudia Politi, da Universidade de Innsbruck, na Áustria, dedicou-se ao tema e começou a estudar o ciclo de vida desses estranhos estados supersólidos usando um gás dipolar de átomos do elemento disprósio, muito usado em pesquisas de magnetismo molecular e outras tecnologias quânticas.

Foi quando ela observou algo inesperado: "Nossos dados sugeriram que um aumento na temperatura promove a formação de estruturas supersólidas. Esse comportamento surpreendente foi um importante impulso para a teoria, que antes prestava pouca atenção às flutuações térmicas nesse contexto," contou Claudia.

O diagrama de fase descreve como o líquido quântico se supersolidifica em função da temperatura.
[Imagem: J. Sánchez-Baena et al. - 10.1038/s41467-023-37207-3]

Cristal supersólido

É inesperado e surpreendente porque a situação normal é que o aumento de temperatura force os sólidos a se desfazerem em fluidos. Mas o que se viu foi a formação de um cristal - um cristal quântico, para ser mais preciso.

Com os dados, a equipe construiu um modelo teórico que consegue explicar todos os seus experimentos, sedimentando a descoberta de que não se tratou de uma anomalia - de fato, aquecer um líquido quântico leva facilmente à formação de um cristal quântico.

"Com o novo modelo, temos pela primeira vez um diagrama de fases que mostra a formação de um estado supersólido em função da temperatura," disse a professora Francesca Ferlaino. "O comportamento surpreendente, que contradiz nossa observação cotidiana, surge da natureza anisotrópica [diferentes comportamentos num sentido ou noutro] da interação dipolo-dipolo dos átomos fortemente magnéticos do disprósio."

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