Nanotopic maig 2019: ‘Layering transition in superfluid Helium adsorbed on a carbon nanotube mechanical resonator’


Representació gràfica de capes d’heli adsorbides a un nanotub de carboni

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

Particularment, l’Heli, gas noble a temperatura ambient, es comporta com un superfluid a temperatures del zero absolut i fins i tot a pressions que superen els tres bars, quan el normal seria, seguint la tercera llei de la termodinàmica, esperar que es comportés com un sòlid. Quan l’heli aconsegueix l’estat de superfluïdesa, per sota de 2.5K, una fracció d’àtoms d’heli es condensa en el nivell més baix d’energia (el que és conegut pel nom de condensat de Bose-Einstein, explicant també altres fenòmens com la superconductivitat).

Aquesta excepció va ser coneguda en els anys 1940 i va captivar científics com Richard Feynman qui, en els anys 1950, ja proposava les relacions que té aquest comportament amb la mecànica quàntica [1], ja que només podia i pot ser entès fent ús de la equació de Schrödinger.

Fins a l’actualitat encara es posen en qüestió moltes de les característiques de l’heli a temperatures tan baixes. Científics Barcelona (ICFO i UPC), Sevilla i París han estat capaços de demostrar experimentalment el seu comportament líquid sobre un nanotub de carboni. L’avantatge de fer servir un nanotub de carboni com ressonador 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 fins d’un àtom de resolució. Això ha permès seguir com l’heli superfluid s’adsorbeix al nanotub capa a capa.

La variació en massa en el nanotub va poder ser registrada per un canvi de freqüència en el mateix. Després de la successiva injecció d’heli a través d’un capil·lar i amb el ressonador mecànic a 20mK, aquests investigadors han estat capaços de recollir l’adsorció de fins a cinc capes consecutives sobre el nanotub. A mesura que una capa d’heli cobria l’estructura, començava una altra nova capa i això era registrat com un canvi important de la freqüència de ressonància. Gràcies al disseny del ressonador, aquesta freqüència quedava recollida modulant el voltatge de porta sota el nanotub.

L’excel·lent qualitat d’aquests resultats donaran peu a la investigació de fenòmens quàntics en aquesta substància, com la quantització del flux, també present en els materials superconductors.

Referenciès:

[1] R. P. Feynman, ‘Application of Quantum Mechanics to Liquid Helium’. California Institute of Technology, Pasadena, California.

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.165301/

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *