Você aprendeu sobre os três ou quatro estados da matéria na escola – os sólidos, que têm forma e volume, líquidos, que têm apenas volume, e gases e plasmas, que não têm forma definida, nem volume. Mas usando as leis da física, você pode criar substâncias incríveis que não se comportam como aquelas que você viu na escola. Isso inclui uma substância que age tanto quanto um cristal sólido, quanto um líquido sem atrito que flui perfeitamente.

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Grupos de pesquisadores dos Estados Unidos e Suíça criaram um novo “supersólido”, de duas maneiras diferentes. Não é como se eles tivessem criado algo que você pode segurar com suas mãos – são materiais altamente projetados que ficam em câmaras de vácuo ultracongeladas. Mas existe uma espécie de corrida para criar supersólidos, o que nos ajudaria a entender a natureza da matéria em si.

“Nosso objetivo é descobrir novos materiais com novas propriedades, daqueles que as pessoas não sabiam nem que eram possíveis”, disse Wolfgang Ketterle, professor de física do MIT, ao Gizmodo. “Queremos fazer materiais que nunca existiram na Terra.”

material-estados-da-materia-2Instalação de experimento de Ketterle (Imagem: MIT)

Cada equipe criou seu supersólido de maneira diferente, mas ambos os grupos começaram ao transformar átomos em “condensado de Bose-Einstein“, um gás super gelado feito de átomos com números pares de elétrons. Ter números pares de elétrons (ou o mesmo número de elétrons e prótons) significa que os átomos têm um número de spin inteiro, uma propriedade quântica mecânica que pode assumir valores inteiros ou semi-inteiros. Átomos com um número de spin inteiro são chamados de bósons, que as leis da física afirmam poder ocupar o mesmo espaço. Esses gases frios, portanto, começam a mostrar efeitos estranhos da mecânica quântica em uma escala macroscópica, como fluir sem qualquer resistência. É um campo que Ketterle conhece bem; ele criou um dos primeiros condensados de Bose-Einstein e ganhou o Prêmio Nobel de física por isso, em 2011.

Como uma substância que flui como um líquido também seria considerado um sólido? Bem, a estrutura manteria uma forma regular e rígida como um sólido. Ao mesmo tempo, qualquer mudança no cristal, como um átomo a menos, iria fluir diretamente no formato sem nenhuma resistência, explica o físico Kaden Hazzard, da Rice University, em um comentário para a Nature.

O objetivo de cada time, então, era pegar seus condensados de Bose-Einstein e fazê-los ter as propriedades rígidas de um verdadeiro sólido. A equipe do MIT utilizou lasers para alterar o número de spin de metade dos átomos em seu material, que era feito de sódio, criando dois condensados de Bose-Einstein ao mesmo tempo. Eles observaram a densidade do sólido se manifestar em tiras, e, quando jogaram luz no material, ele ricocheteou como se estivesse batendo numa grade. Isso convenceu a equipe de Ketterle de que eles haviam criado o cobiçado novo material, e então publicaram os resultados na revista Nature.

material-estados-da-materia-3Instalação de experimento da ETH Zurich (Imagem: ETH Zurich)

O grupo do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, na Suíça, utilizou um método diferente para conferir as propriedades rígidas de um sólido. Eles mantiveram um condensado, com átomos de rubídio, em uma cavidade entre pares de espelhos com partículas leves, fótons, saltando para frente e para trás. Isso fez com que a luz se espalhasse entre os átomos, o que acabou gerando um padrão cristalino regular. Eles publicaram seus resultados na Nature, no mesmo dia.

Esses não são sólidos do tipo que você pode pegar nas mãos, de nenhuma maneira, conforme alerta Ketterle. Eles são materiais altamente projetados que não apresentam suas características “sólidas” em todas as dimensões. O que os torna ainda mais estranhos, se você parar para pensar. “Nosso material… Está apagando o que as pessoas aprenderam no ensino médio sobre os estados da matéria. Ele combina propriedades de gases, sólidos e líquidos.”

Outros físicos ficaram impressionados com as criações dos grupos. “É um efeito incrível”, disse Jeff Steinhauer, físico do Technion, Instituto de Tecnologia de Israel‎, ao Gizmodo por email. “Isso pode ajudar a jogar luz na física do hélio sólido.”

Katterle ficou animado com o fato de os dois grupos terem publicado suas descobertas ao mesmo tempo – isso significa que há bastante atenção sobre os materiais no campo.

Não há muito propósito em fazer essas substâncias estranhas, a não ser por pesquisa básica – não é como se alguém fosse encontrar um uso para um tonel de hélio líquido cristalino em algum momento próximo. Mas estados da matéria como esse demonstram o quanto nós temos ainda para entender sobre a maneira como o universo funciona.

“O que nos motiva é que, uma vez que isso é possível, as pessoas passam a saber que as leis da natureza nos permitem alcançar tais materiais”, disse Ketterle. “Esperamos que, daqui a 10 a 20 anos, isso influencie designers de materiais a irem além e talvez criar um supersólido que existe fora de uma câmara de vácuo.”

[Nature 1, 2]

Imagem do topo: ETH Zurich / Julian Léonard