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Física & Química

Cientistas descobrem como superfluidos quebram leis da física

(Créditos da imagem: Lancaster University).

Em um superfluido não há limites de velocidade. Claro, ainda há o limite da velocidade da luz. O superfluido ainda obedece as leis da Relatividade Geral. Mas há regras para objetos se movendo dentro de superfluidos que não valem como pensávamos.

Um superfluido é, em resumo, um líquido esquisito. No entanto, não é fácil chegar em um deles. Trata-se de um líquido em uma temperatura extremamente baixa – próxima ao zero absoluto, a menor temperatura possível. 

Um dos elementos mais utilizados para se fazer superfluidos é o hélio-3. Trata-se de um isótopo de hélio de massa atômica igual a 3 unidades. Em outras palavras, um hélio com um nêutron a menos. Esse isótopo é extremamente raro na Terra.

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Acontece que em nossos modelos teóricos, tínhamos uma regra: a velocidade crítica de Landau. Se você colocasse um submarino em um mar se superfluidos, ele não poderia ultrapassar a velocidade crítica sem destruir esse superfluido.

Entretanto, experimentos realizados na Universidade de Lancaster, na Inglaterra, mostraram que é possível sim ultrapassar esse limite de velocidade dentro de um superfluido.

E em um novo estudo, na mesma universidade, um grupo de pesquisadores resolveu investigar o motivo pelo qual isso ocorre. Eles publicaram os resultados na Nature Communications.

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“O superfluido hélio-3 funciona como vácuo para um bastão que se move através dele, embora seja um líquido relativamente denso”, explica em um comunicado o Dr. Samuli Autti, autor principal do estudo. “ Não há resistência, absolutamente nenhuma. Acho isso muito intrigante”.

Almas gêmeas se separam

Em resumo, há uma partícula chamada de férmion. Às vezes dois férmions se juntam e se comportam como um único bóson. Esse fenômeno é chamado de pares de Cooper. 

Os superfluidos podem ser constituídos tanto por bósons como por pares de férmions. O superfluido de hélio-3, especificamente, utilizado no estudo, utiliza os pares de férmions.

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O superfluido de hélio "escala" o recipiente e pinga para fora - superfluidos são mestres em fazer coisas que parecem não ter sentido. (Créditos da imagem: Alfred Leitner).

Mas há um problema. Justamente por ser composto de partículas ligadas, e não uma única, em teoria ele poderia ser frágil. Ao quebrar a barreira da velocidade de Landau, esses objetos poderiam ocasionar a quebra dos pares de cooper, acabando com o estado de superfluidez do hélio-3.

Superfluidos gostam de quebrar regras

Entretanto, a haste possui uma proteção ao navegar pelo superfluido. Uma capa dessas partículas exóticas é formada, isolando-a do superfluido. Por isso ela não gera um colapso.

“Ao fazer a haste mudar sua direção de movimento, pudemos concluir que a haste ficará oculta do superfluido pelas partículas ligadas que o cobrem, mesmo quando sua velocidade for muito alta”, diz Ash Jennings, um dos co-autores do estudo.

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“As partículas ligadas inicialmente precisam se mover para conseguir isso e isso exerce uma pequena força na haste, mas uma vez que isso seja feito, a força simplesmente desaparece completamente”, explica o Dr. Dmitry Zmeev.

Dentre uma das principais aplicações dos superfluidos está o desenvolvimento de supercondutores, tema já explicado em outro texto aqui na SoCientífica, disponível neste link.

Em suma, supercondutores são condutores com quase 100% de eficiência. Você já deve ter percebido que fios elétricos se aquecem, correto? Isso é a perda de energia. Em um supercondutor isso não acontece. Então, o estudo de superfluidos pode ajudar no desenvolvimento dessa tecnologia.

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O estudo foi publicado na Nature Communications. Com informações de Lancaster University e Science Alert.

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É divulgador científico por paixão. Gradua-se em Física pela UFSCAR e atua principalmente na Ciencianautas e SoCientífica.


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