Sob uma confusão emaranhada de canos, tubos, medidores, placas de metal, bombas e fita adesiva existe um lugar mais frio que o espaço sideral. Trabalhando neste ambiente de caos organizado, a equipe Quantum Matter do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge está começando a desvendar as propriedades quânticas exóticas de materiais superfrios em uma geladeira do tamanho de um SUV.
Como os humanos podem perceber facilmente a diferença entre quente e frio, a temperatura é uma característica da ciência que as pessoas têm uma compreensão bastante intuitiva. Mas o que as pessoas realmente experimentam quando distinguem o quente do frio é a quantidade de energia térmica que um sistema contém – uma casquinha de sorvete, por exemplo, contém menos energia térmica do que uma tigela de sopa quente. E como essa energia vem do movimento de átomos e moléculas dentro de uma substância, isso significa que as moléculas da sopa estão se movendo mais do que as do sorvete.
A equipe da Universidade de Cambridge, no entanto, monitora a energia em um nível mais extremo ao tentar se aproximar do zero absoluto – a temperatura mais baixa permitida pelas leis da termodinâmica. O zero absoluto, tecnicamente conhecido como zero kelvins, é igual a -273,15 graus Celsius, ou -459,67 Fahrenheit, e marca o ponto no termômetro onde um sistema atinge sua energia mais baixa possível, ou movimento térmico.
Há um porém: zero absoluto é impossível de alcançar. O motivo tem a ver com a quantidade de trabalho necessária para remover o calor de uma substância, que aumenta substancialmente quanto mais frio você tenta ir. Para chegar a zero kelvins, você exigiria uma quantidade infinita de trabalho. E mesmo se você pudesse chegar lá, a mecânica quântica dita que os átomos e moléculas ainda teriam algum movimento irredutível.
A mecânica quântica também significa que quanto mais próximos esses pesquisadores se aproximam do zero absoluto, mais estranhas se tornam as propriedades de uma substância. Em temperaturas suficientemente baixas, o hélio líquido, por exemplo, se transforma em um superfluido – um líquido que flui sem a resistência do atrito. Como resultado, ele pode fluir espontaneamente para cima e para fora de um recipiente; infiltrar-se por rachaduras finas como uma molécula; permaneça perfeitamente imóvel enquanto gira em alta velocidade; e – o que é mais surpreendente para os físicos – aglutinar-se em um “superatomo”, conhecido como condensado de Bose-Einstein. Trabalhando com cerca de 1 a 10 milikelvins, ou milésimos de um kelvin, a equipe do Cavendish está em processo de levantamento de uma variedade de outros materiais que também apresentam comportamento quântico estranho. E a tecnologia que o grupo usa para atingir essas temperaturas frias é quase tão complicada quanto o comportamento que está tentando induzir.
A jornada em direção ao zero absoluto começou no início Década de 1700, quando Guillaume Amontons afirmou que se a temperatura é a medida do calor em um sistema, então deve haver uma temperatura mais baixa possível. No entanto, somente dois séculos mais tarde a teoria de Amontons encontraria seu lugar na experimentação. Na Universidade de Leiden, Heike Kamerlingh Onnes e seus colegas correram contra outros ao redor do mundo para desenvolver técnicas para liquefazer o hélio. Depois de muitas tentativas fracassadas, eles conseguiram, e diz Dirk van Delft, diretor do Museu Boerhaave, a nação holandesa l Museu de História da Ciência e Medicina, “Leiden se tornou brevemente o lugar mais frio da Terra.”
O sucesso de Onnes eventualmente veio graças a uma das primeiras formas de refrigeração de alta potência. Como as geladeiras do dia a dia, o sistema de resfriamento no laboratório de Onnes e agora nos laboratórios de todo o mundo funciona em um ciclo. O processo de resfriamento em si é semelhante ao que acontece quando você sopra uma xícara de café quente para resfriá-lo. À medida que a pessoa sopra, as moléculas de café mais caóticas e de movimento mais rápido são incentivadas a evaporar e, portanto, se afastar da xícara. As moléculas que ficam para trás se movem, em média, mais devagar, tornando o café uma temperatura mais potável. Ao contrário dos refrigeradores comuns que usam o vapor de dentro da geladeira, no entanto, Onnes usava hélio no estado gasoso e hidrogênio e oxigênio no estado líquido para atingir baixas temperaturas.
Ciclando o hélio gasoso através de uma câmara banhada em hidrogênio líquido frio e ar, o grupo de Onnes atingiu com sucesso uma temperatura em que uma pequena xícara de hélio poderia ser liquidificada. Ao fazer isso, o excesso de calor do estado gasoso se dissipou e o sistema atingiu uma temperatura de apenas seis kelvins acima do zero absoluto – a tentativa mais próxima de seu tempo. Essa pesquisa deu a Onnes o Prêmio Nobel em 1913. Ele também descobriu acidentalmente a supercondutividade, a capacidade de uma substância de transportar corrente elétrica sem resistência. Essa propriedade possibilita os poderosos ímãs supercondutores usados nos detectores de ressonância magnética e aceleradores de partículas gigantes, entre outras coisas.
Os melhores sistemas de refrigeração do mundo hoje são baseados no trabalho original de Onnes, mas agora eles podem chegar a alguns miliquelvins, utilizando dois isótopos diferentes de hélio. Ao contrário da maioria dos líquidos, que congelam e se transformam em sólidos em algum ponto de temperatura, o hélio permanece líquido até o zero absoluto. Como seus átomos são tão leves nessas temperaturas, o hélio é fracamente atraído por outros átomos de hélio, de modo que eles ficam presos em um movimento persistente, conhecido como movimento de ponto zero, um efeito mecânico quântico definido pelo princípio da incerteza de Heisenberg.
Operando no que é essencialmente um circuito fechado, o hélio age quase exatamente como aquelas moléculas de café desordenadas em sua caneca e dissipa o excesso de calor para o ambiente à medida que circula. Quando o isótopo hélio-3 migra em direção ao isótopo hélio-4 como resultado das diferenças de atração e pressão causadas pelo aparelho refrigerador, ele absorve calor e resfria todo o sistema até o nível de milikelvin.
O laboratório de Cambridge usa esse tipo de geladeira para inspecionar muitos tipos diferentes de materiais e propriedades dos materiais. Talvez o mais surpreendente deles seja o germanide de ferro, YFe2Ge2. Em baixas temperaturas, este material à base de ferro se contorce em um supercondutor. “A descoberta mais surpreendente é realmente a existência de YFe2Ge2 como um supercondutor”, diz Keiron Murphy, um estudante de PhD no grupo Cambridge Quantum Matter.
O ferro, explica ele, normalmente destrói quaisquer propriedades supercondutoras em um material , independentemente da temperatura, devido à natureza magnética do ferro. A supercondutividade tem muitas aplicações na ciência, medicina e computação, e cada novo supercondutor pode ajudar a promover uma nova tecnologia. Devido ao trabalho deste laboratório, YFe2Ge2 é agora considerado um material de referência para investigar a supercondutividade em compostos com uma estrutura de ferro semelhante.
Infelizmente, diz Murphy, os estados quânticos são “inerentemente frágeis” e uma parte substancial das propriedades interessantes que surgem naturalmente em alguns materiais são “oprimidos por vibrações em temperaturas mais altas . ” Operando em cerca de 1 a 10 milikelvins, o grupo Quantum Matter pode realizar medições nessas temperaturas por vários meses. Mas o grupo está atualmente no processo de desenvolvimento de outro refrigerador mais eficiente que pode suportar essas baixas temperaturas por mais tempo.
Com este novo refrigerador, a equipe examinará outros materiais à base de ferro em baixas temperaturas por períodos sustentados de tempo e também continuará trabalhando com materiais conhecidos como semimetais topológicos, como ZrSiS. O comportamento magnético de baixa temperatura dos semimetais topológicos é em grande parte um mistério, pois suas propriedades são dominadas por sua topologia (ou a disposição de suas partes), não por seus elementos constituintes. E a equipe de Cambridge está pronta para descobrir seus enigmas assim que a nova geladeira estiver instalada e funcionando.
Propriedades físicas estranhas prosperam sob os extremos de baixa temperatura, e as implicações dessas qualidades bizarras são aparentemente ilimitadas. Técnicas de super-resfriamento como o os usados na refrigeração por diluição são críticos para uma ampla gama de disciplinas: pesquisa de ondas gravitacionais, supercondutividade, spintrônica, computação quântica e outras tecnologias emergentes. Aliviando tensões de alta temperatura, trabalhar em zero absoluto é crucial para entender e descobrir muitas incógnitas na mecânica quântica e na física em geral.
“Nessas temperaturas, ganhamos acesso a um mundo de fenômenos exóticos, e os materiais que antes eram comuns se tornam extraordinários”, diz Murphy.