A matéria comum, quando resfriada, passa do estado gasoso para o líquido. Resfriando-a ainda mais, ela se solidifica. A matéria quântica, no entanto, pode se comportar de maneira muito diferente. No início do século XX, pesquisadores descobriram que, ao ser resfriado, o hélio passa de um gás aparentemente comum para um chamado superfluido. Os superfluidos fluem sem perder energia, entre outras peculiaridades quânticas, como a capacidade de "escalar" recipientes.

O que acontece quando se resfria um superfluido ainda mais? A resposta a essa pergunta tem intrigado os físicos desde que começaram a formulá-la, há meio século.

Em um artigo publicado hoje na revista Nature , uma equipe liderada pelos físicos Cory Dean, da Universidade Columbia, e Jia Li, da Universidade do Texas em Austin, observou um superfluido, que normalmente permanece em constante movimento, parar completamente. "Pela primeira vez, vimos um superfluido sofrer uma transição de fase e se tornar o que parece ser um supersólido", disse Dean. É como a água congelando e virando gelo, mas em nível quântico.

Os supersólidos são a versão quântica prevista de um sólido clássico, definido como um arranjo fixo de átomos em uma rede cristalina repetitiva. Os supersólidos, de forma contraintuitiva, podem ser simultaneamente líquidos e sólidos: cristalinos, como os sólidos clássicos, mas com previsão de apresentar o mesmo fluxo sem atrito de um superfluido.

Apesar dessas previsões, ninguém ainda observou definitivamente a transição de superfluido para supersólido no hélio, ou em qualquer outra matéria natural. Pesquisadores da subárea atômica, molecular e óptica (AMO) da física simularam versões de supersólidos nos últimos anos, utilizando lasers e elementos ópticos para criar o que é conhecido como armadilha periódica, que ajuda a induzir o fluido a assumir um padrão semelhante a um cristal — algo como gelatina confinada em uma forma de gelo.

A formação espontânea de um supersólido permanecia um enigma, deixando sem solução uma das grandes controvérsias da física da matéria condensada. Isso até que a equipe de Dean, que incluía Li enquanto ele era pós-doutorando em Columbia e um ex-aluno de doutorado, Yihang Zeng (agora professor assistente na Universidade Purdue), voltou-se para um cristal natural: o grafeno, uma folha de átomos de carbono com a espessura de um único átomo.

O grafeno pode hospedar o que é conhecido como excítons. Essas quase-partículas se formam quando folhas de grafeno com a espessura de dois átomos são sobrepostas e manipuladas de forma que uma camada tenha elétrons extras e a outra, lacunas extras (que são deixadas para trás quando os elétrons saem da camada em resposta à luz). Elétrons com carga negativa e lacunas com carga positiva podem se combinar para formar excítons. Adicione um forte campo magnético e os excítons podem formar um superfluido.

Materiais bidimensionais como o grafeno surgiram como plataformas promissoras para explorar e manipular fenômenos como a superfluidez e a supercondutividade. Isso porque existem diversos "parâmetros" que os pesquisadores podem ajustar, como temperatura , campos eletromagnéticos e até mesmo a distância entre as camadas, para refinar suas propriedades.

Quando a equipe de Dean começou a manipular os parâmetros para controlar os éxcitons em suas amostras, eles observaram uma relação inesperada entre a densidade das quase-partículas e a temperatura. Em alta densidade, seus éxcitons se comportavam como um superfluido, mas à medida que a densidade diminuía, eles paravam de se mover e se tornavam isolantes. Quando a equipe aumentava a temperatura, a superfluidez retornava.

Então, será que é um supersólido? "Temos que especular um pouco, já que nossa capacidade de analisar isolantes é um tanto limitada", explicou Dean — a especialidade deles é em medições de transporte, e isolantes não conduzem corrente. "Por enquanto, estamos explorando os limites desse estado isolante, enquanto desenvolvemos novas ferramentas para medi-lo diretamente."

Eles também estão investigando outros materiais em camadas. O superfluido excitônico, e provavelmente o supersólido, que se forma no grafeno bicamada só o faz com a ajuda de um forte campo magnético. Alternativas são um pouco mais desafiadoras de fabricar nos arranjos necessários, mas poderiam estabilizar as quase-partículas em temperaturas ainda mais altas e sem a necessidade de um ímã.

Controlar um superfluido em um material 2D é uma perspectiva empolgante — em comparação com o hélio, por exemplo, os éxcitons são milhares de vezes mais leves, então eles poderiam potencialmente formar estados quânticos como superfluidos e supersólidos em temperaturas muito mais altas. O futuro dos supersólidos ainda está por ser definido, mas já existem evidências sólidas de que os materiais 2D ajudarão os pesquisadores a compreender essa enigmática fase quântica.