SINAIS DE REDEMOINHOS CARREGADOS NUM FLUIDO DE PARES NEUTROS

Num superfluido, as partículas se movem juntas como uma única onda quântica; um supercondutor do tipo II conduz corrente sem resistência. Ponha o primeiro para girar, ou coloque o segundo num campo magnético, e ambos exibem um traço característico: uma rede de vórtices quantizados, minúsculos redemoinhos que carregam cada um uma quantidade fixa e indivisível de rotação. Num fluido feito de éxcitons, uma rede assim continuava fora de alcance: os éxcitons não têm carga elétrica.

Pares que não carregam nada

Um éxciton é um elétron ligado a uma lacuna, o vazio deixado por um elétron ausente. Produzidos com luz, os éxcitons vivem pouco e, por serem neutros, são difíceis de sondar eletricamente. Manter os parceiros separados, os elétrons numa camada e as lacunas em outra, faz os pares durarem muito mais e permite ligar cada camada a seus próprios fios.

Resfriados o suficiente, esses pares se condensam e compartilham uma única fase quântica — um ritmo comum — em todo o fluido, de modo muito parecido com os pares de elétrons de um supercondutor. Havia assinaturas elétricas, mas, escrevem os autores, uma prova inequívoca dessa coerência de fase global continuava inalcançável.

Para onde iria a carga extra

O que um fluido assim deveria fazer: num campo magnético intenso, acrescentem-se alguns elétrons extras, e sua carga deveria se dividir em frações que se alojam nos núcleos de vórtices e antivórtices, redemoinhos na fase compartilhada que giram em sentidos opostos. Normalmente, eles se aniquilam. Aqui, seus núcleos carregados se repelem, e em 2025 dois dos autores, Bo Zou e Allan MacDonald, da Universidade do Texas em Austin, previram que eles se fixariam num favo de mel: vórtices num conjunto de sítios, com sua carga na camada de cima, antivórtices no outro, na camada de baixo.

Ao contrário dos vórtices de um supercondutor, que carregam fluxo magnético, estes carregam carga elétrica. Cada célula do favo de mel contém exatamente uma carga elementar, a de um elétron. Assim, quanto mais carga se acrescenta, menores as células: sua área diminui na proporção inversa da carga extra.

Duas folhas de carbono e uma agulha

Ryan Lee, Jungwoo Lee, Viliam Vaňo e colegas do grupo de Ali Yazdani na Universidade de Princeton empilharam duas folhas de grafeno com um átomo de espessura a 3,2 nanômetros de distância — cerca de três milionésimos de milímetro — com uma barreira de nitreto de boro hexagonal do National Institute for Materials Science do Japão, sob um campo de 9 teslas (o tesla é a unidade de intensidade do campo magnético). Ali, as energias dos elétrons se agrupam em degraus chamados níveis de Landau. Duas tensões definem quão cheios eles estão: uma, de uma porta (gate) situada sob as folhas, ajusta a carga total; a outra desloca carga entre as folhas. Quando as duas folhas juntas preenchem um número inteiro de níveis, cada uma apenas parcialmente cheia, um elétron de uma se emparelha com uma lacuna da outra, formando o condensado.

A equipe o fotografou com um microscópio de varredura por tunelamento a 0,2 grau acima do zero absoluto: os elétrons saltam entre uma ponta afiada e a folha de cima, e a corrente depende do que há por baixo, inclusive a carga nos núcleos dos vórtices.

Uma rede que se aperta com a carga

Com alguns elétrons acrescentados ou retirados, mapas de corrente de áreas sem defeitos com cerca de 400 nanômetros de lado mostraram pontos brilhantes regulares. Uma transformada de Fourier, um cálculo que converte um padrão repetitivo em picos nítidos, deu seis: uma rede com simetria de ordem seis.

À medida que se acrescentavam elétrons, a rede ficava mais densa, com o espaçamento caindo de cerca de 135 nanômetros no início para cerca de 60, perto da curva prevista. Ela passou de esparsa a bem ordenada e depois derreteu quando se acrescentaram mais. Os pontos formam um padrão triangular, e não um favo de mel: a ponta sente a folha de cima, onde os vórtices carregam mais carga do que os antivórtices abaixo.

O teste em que um cristal de elétrons falha

Elétrons que se repelem também podem congelar por conta própria numa rede, um cristal de Wigner. Um cristal assim na folha de cima teria um espaçamento definido apenas pela carga dessa folha. Perto do condensado, essa carga quase não muda, porque a folha de baixo blinda a de cima em relação à porta; mesmo assim, o espaçamento medido mudou. Abaixo de um preenchimento extra de 0,17 de nível, a previsão do cristal de Wigner claramente não bate com os dados.

O teste decisivo: o espaçamento da rede de vórtices deveria depender apenas da carga extra total, não de como as folhas a dividem, porque só o total se acopla à fase compartilhada. A equipe manteve o total fixo e deslocou carga entre as folhas, mudando o preenchimento de cada uma em até 30%. Um cristal de Wigner na folha de cima teria deslocado seu espaçamento em cerca de 20 nanômetros. O espaçamento medido ficou em cerca de 60. Apenas o contraste da imagem se atenuou, à medida que a carga passava dos vórtices da folha de cima para os antivórtices da de baixo, sem movê-los.

Perto de um preenchimento extra de 0,17, a folha de baixo deixa de receber carga e todos os elétrons extras ficam na de cima. Ali, o espaçamento converge para o de um cristal de Wigner comum na folha de cima: a transição que a teoria antecipava.

As lacunas desenham o mesmo padrão, invertido

Retirar elétrons, em vez de acrescentá-los, produziu o mesmo tipo de rede, ainda mais bem ordenada, provavelmente porque essa região contém menos desordem. Seu contraste é invertido, como esperado se a carga nos núcleos muda de sinal, e seu espaçamento de novo acompanha apenas a carga extra total.

O que uma imagem de 400 nanômetros pode dizer

Num supercondutor, uma rede de vórtices que cobre uma imagem mostra que o fluido mantém sua fase pelo menos ao longo dessa distância. Aqui, a rede que preenche o campo de visão fixa um limite inferior de cerca de 400 nanômetros para o alcance da coerência de fase do condensado. Além disso, o preenchimento de cada folha é calculado a partir das duas tensões com um modelo eletrostático, e não medido diretamente.

A equipe apresenta suas imagens como indícios — a palavra de seu título é “evidence” — da rede prevista e da coerência de fase num superfluido de éxcitons. O mesmo microscópio poderia agora acompanhar esses redemoinhos enquanto se movem, se prendem em defeitos e derretem, num superfluido feito apenas de elétrons.