Formació de capes d’heli superfluid sobre nanotubs

Un superfluid és un estat de la matèria en què aquesta es comporta com un líquid sense viscositat, és a dir, flueix sobre qualsevol superfície amb zero fricció. Experimentalment, es pot observar que una substància es troba en estat de superfluides quan, continguda en un recipient, aquesta ‘s’enfila’ per les parets del recipient fins a la part més alta i surt per fora.

Aquest estat de la matèria, però, només s’assoleix a molt baixes temperatures. L’exemple més conegut és l’heli, gas noble a temperatura ambient, que assoleix comportaments de superfluid a temperatures properes al zero absolut (-273°C) i, fins i tot, a pressions que superen els tres bars on l’estat esperat seria el sòlid. Quan l’heli aconsegueix l’estat de superfluïdesa, per sota de 2.5K (-270.5°C), una fracció d’àtoms d’heli es condensa en el nivell més baix d’energia. Aquest nivell és conegut pel nom de condensat de Bose-Einstein.

Tot i que aquest comportament anòmal de l’heli i la seva relació amb la mecànica quàntica ha captivat científics i científiques des dels anys 1940, a l’actualitat encara es posen en qüestió moltes de les propietats de l’heli a temperatures tan baixes i es segueix investigant aquest fenomen en nous sistemes.

Recentment, s’ha pogut observar el comportament de l’heli a baixes temperatures sobre un nanotub de carboni. L’avantatge de fer servir un nanotub de carboni com a ressonador mecànic enfront d’altres materials com el grafit és que, a més de no comptar amb defectes en la seva estructura, és capaç de detectar canvis de massa en el seu cos de fins un àtom de resolució. En un sistema on el nanotub està connectat elèctricament, es pot mesurar el canvi de freqüència del ressonador a través del canvi del voltatge recollit sota del nanotub.

Registrant la variació en massa del nanotub a través del canvi de freqüència, es pot monitoritzar el comportament de l’heli superfluid i veure com s’adsorbeix capa a capa. A una temperatura de 20mK, s’ha pogut observar experimentalment l’adsorció de fins a cinc monocapes consecutives d’heli sobre el nanotubs. L’inici de la formació de cada nova capa, va associat a un canvi important en la freqüència de ressonància del nanotubs ja que augmenta la massa del ressonador mecànic.

En l’article de referència publicat a Physical Review Letters a l’Abril de 2019 per A. Noury, et al., es poden consultar els detalls dels càlculs matemàtics realitzats per calcular els canvis de freqüència i el potencial d’aquest tipus de sistemes per la investigació d’altres fenòmens quàntics com la quantització del flux, també present en els materials superconductors.