Supersolid: O nouă stare de agregare a materiei

Două echipe de fizicieni au creat, în mod independent, o nouă stare de agregare a materiei. Aceasta este cunoscută sub numele de supersolid şi ea îmbină proprietățile solidelor și superfluidelor.

O reprezentare a unui supersolid, în care materia ordonată spaţial se comportă precum un superfluid. Credit: Julian Léonard, Zurich.

Cele trei stări „clasice” de agregare ale materiei, starea solidă, lichidă sau gazoasă, pot fi întâlnite în fiecare zi. Chiar dacă este dificil să ne imaginăm că substanțele pot avea, simultan, proprietăți caracteristice pentru două dintre aceste stări de agregare, conform fizicii cuantice materia poate avea proprietăţi care par să se excludă reciproc, iar supersolidul este o astfel de stare exotică a materiei.

Într-un supersolid atomii sunt aranjaţi într-o reţea cristalină, dar, în același timp, aceştia se comportă ca într-un superfluid, unde particulele se pot mișca fără frecare.

Până în prezent supersolidele au reprezentat doar un concept teoretic. Cu toate acestea, în numărul din 2 martie al revistei Nature două echipe de cercetători au anunţat că au reuşit să obţină un supersolid.

Una dintre echipele de cercetători, condusă de profesorul de fizică Wolfgang Ketterle de la MIT, a folosit lasere și diferite metode de răcire prin evaporare pentru a scădea temperatura unor atomi de sodiu până la o valoare de doar câţiva nanoKelvin.

Atunci când atomii de sodiu sunt răciţi până aproape de zero absolut, ei formează un condensat Bose-Einstein, adică o stare superfluidă de gaz diluat.

Profesorul Ketterle şi colaboratorii săi au modificat mișcarea atomilor din condensatul Bose-Einstein, cu ajutorul unor fascicule laser, până au reuşit să inducă aşa-numitul „cuplaj spin-orbită”.

Fizicienii au prezis că un condensat Bose-Einstein în care s-a indus cuplajul spin-orbită formează un supersolid, deoarece în acesta se produc tranziţii spontane de densitate. În acest fel, deşi supersolidul are o structură cristalină, similară solidelor, densitatea acestuia nu este constantă şi supersolidul se poate comporta precum superfluidele, adică poate curge fără disiparea energiei.

Supersolidul realizat de echipa de cercetători condusă de profesorul Ketterle poate exista doar la temperaturi extrem de scăzute, în condiții de vid ultraînalt.

Fizicienii intenţionează să efectueze experimente suplimentare cu privire la supersolid și la cuplajul spin-orbită, pentru a înţelege mai bine proprietățile supersolidelor.

„Experimentele au dovedit că predicţiile teoriei privind existenţa supersolidelor sunt corecte, astfel încât vom continua cercetările, iar acestea s-ar putea să ne furnizeze rezultate neașteptate”, a declarat profesorul Ketterle.

O altă echipă de cercetare, condusă de profesorul Tilman Esslinger de la Institute for Quantum Electronics din Zurich a folosit o modalitate alternativă prin care a transformat un condensat Bose-Einstein într-un supersolid cu ajutorul oglinzilor.

Pentru a crea starea de supersolid, profesorul Esslinger şi colaboratorii săi au introdus într-o cameră de vid un gaz, format din atomi de rubidiu, pe care l-au răcit până la o temperatură de numai câteva miliardimi de grad peste zero absolut (minus 273,15 grade Celsius)

Condensatul a fost introdus într-un dispozitiv cu două camere de rezonanță optică, fiecare constând din două oglinzi minuscule opuse. Ulterior, cercetătorii au utilizat fascicule laser care au împrăștiat condensatul în ambele camere de rezonanță optică. În acest fel, atomii din condensat au format o structură regulată, similară reţelei cristaline.

Condensatul a căpătat proprietățile unui superfluid, astfel încât acesta poate să curgă fără un aport de energie, cel puțin într-o singură direcție. Acest lucru nu este posibil într-un solid „normal”.

„Am reuşit să producem această stare specială a materiei în laborator, datorită unui montaj experimental complicat care ne-a permis să realizăm două camere identice de rezonanță optică pentru atomi”, a declarat profesorul Esslinger.

„Două echipe de cercetare au obţinut simultan starea de supersolid şi acest lucru arată interesul comunităţii ştiinţifice pentru această nouă stare de agregare a materiei”, a declarat profesorul Ketterle.

Sursă: Sci-News