Vés al contingut (premeu Retorn)

La mecànica quàntica explica com pel·lícules superfluides d’heli creixen en nanotubs de carboni

Una recerca d’un equip internacional d’investigadors, dirigit per científics de l'ICFO i que ha comptat amb la participació de Jordi Boronat, investigador del Departament de Física de la UPC, mostra el procés de creixement controlat de l’heli superfluid, capa per capa, en la superfície de nanotubs de carboni. L’experiment obre la porta a estudiar nous fenòmens a escala nanomètrica i, en concret, en transicions de fases topològiques.
La mecànica quàntica explica com pel·lícules superfluides d’heli creixen en nanotubs de carboni
Pel·lícules superfluides d’heli creixen en nanotubs de carboni

L’estudi, liderat per Adrian Bachtold, de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) –institut universitari de recerca adscrit a la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)– i que ha comptat amb la participació d’investigadors del Departament de Física de la UPC, de l'École Normale Supérieure (ENS, França) i de la Universidad Pablo de Olavide (UPO), mostra com l'heli superfluid creix en un nanotub de carboni formant capes i no de manera contínua. Els ressonadors de nanotubs de carboni han demostrat ser excel·lents dispositius de detecció per a l'estudi de nous fenòmens físics a escala nanomètrica (per exemple, en el transport d'electrons quàntics, en ciències superficials i en la interacció llum-matèria), mentre que l’heli superfluid és útil per a l’estudi de transicions de fase i, en concret, per entendre les transicions en dues i tres dimensions. Combinant-los, és possible estudiar diversos fenòmens a escala nanomètrica, com ara l'adsorció, la supersolidesa i la superfluïdesa.

En l’experiment, publicat a Physical Review Letters, l’equip internacional d’investigadors han fixat un nanotub de carboni en els dos extrems –de manera que el nanotub podia estirar-se i oscil·lar com una corda de guitarra– a l'interior d’una cambra on s’hi ha afegit vapor d’heli per observar com pel·lícules d’heli superfluid s’absorbien a la superfície dels nanotubs de carboni suspesos. L’estudi mostra que, a mesura que l'heli s’acumula al nanotub, la freqüència de les vibracions mecàniques del nanotub canvia a mesura que augmenta la seva massa. És a dir, han observat que, a mesura que el tub absorbia l'heli, la freqüència de ressonància canvia bruscament. Això indica que l'acumulació d'heli en el nanotub s’ha realitzat capa per capa, amb discontinuïtats tant en el nombre d'àtoms absorbits com en la velocitat del tercer so de la pel·lícula absorbida. En aquest procés han pogut demostrar la formació de capes d’heli de fins a cinc àtoms de gruix.

L'heli líquid és un dels sistemes quàntics per excel·lència i el seu estudi requereix mètodes teòrics avançats. El grup de recerca Barcelona Quantum Monte Carlo, liderat per Jordi Boronat, investigador del Departament de Física de la UPC, ha participat en l'anàlisi teòrica de l'experiment en col·laboració amb la investigadora de la UPO Carmen Gordillo. La modelització teòrica del sistema quàntic ha predit les diferents fases que després s'han observat a l'experiment. Les dades obtingudes a l'ICFO confirmen les prediccions teòriques i mostren, per primer cop, i de manera clara, que el creixement de les capes adsorbides sobre un nanotub es produeix a salts, tal com correspon a transicions de fase de primer ordre.

La combinació de resultats experimentals i teòrics mostren que l’equip ha estat capaç de construir pel·lícules superfluides d’heli amb diverses capes atòmiques de manera controlada i que aquestes multicapes d’heli absorbides en un nanotub són d’una qualitat sense precedents en comparació amb estudis anteriors. Aquests resultats obren una nova via de recerca en el camp de les transicions de fases topològiques amb l’objectiu de realitzar noves investigacions en fluids quàntics i sòlids de geometria reduïda.


Layering Transition in Superfluid Helium Adsorbed on a Carbon Nanotube Mechanical Resonator.

A. Noury, J. Vergara-Cruz, P. Morfin, B. Plaçais, M. C. Gordillo, J. Boronat, S. Balibar, and A. Bachtold.

Phys. Rev. Lett. 122, 16530 

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

arxivat sota: