La mecánica cuántica explica como películas superfluidas de helio crecen en nanotubos de carbono
08/07/2019
Un estudio de un equipo internacional de investigadores, dirigido por científicos del ICFO y que ha contado con la participación de Jordi Boronat, investigador del Departamento de Física de la UPC, muestra el proceso de crecimiento controlado del helio superfluido, capa por capa, en la superficie de nanotubos de carbono. El experimento abre la puerta a estudiar nuevos fenómenos a escala nanométrica y, en concreto, en transiciones de fases topológicas.
El estudio, liderado por Adrian Bachtold, del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) –instituto universitario de investigación adscrito a la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)– y que ha contado con la participación de investigadores del Departamento de Física de la UPC, de la École Normale Supérieure (ENS, Francia) y de la Universidad Pablo de Olavide (UPO), muestra como el helio superfluido crece en un nanotubo de carbono formando capas y no de manera continua. Los resonadores de nanotubos de carbono han demostrado ser excelentes dispositivos de detección para el estudio de nuevos fenómenos físicos a escala nanométrica (por ejemplo, en el transporte de electrones cuánticos, en ciencias superficiales y en la interacción luz-materia), mientras que el helio superfluido es útil para el estudio de transiciones de fase y, en concreto, para entender las transiciones en dos y tres dimensiones. Combinándolos, es posible estudiar distintos fenómenos a escala nanométrica, como la adsorción, la supersolidez y la superfluidez.
En el experimento, publicado en Physical Review Letters, el equipo internacional de investigadores han fijado un nanotubo de carbono en los dos extremos –de modo que el nanotubo podía estirarse y oscilar como una cuerda de guitarra– en el interior de una cámara donde se ha añadido vapor de helio para observar como películas de helio superfluido se absorbían en la superficie de los nanotubos de carbono suspendidos. El estudio muestra que, a medida que el helio se acumula en el nanotubo, la frecuencia de las vibraciones mecánicas del nanotubo cambia a medida que aumenta su masa. Es decir, han observado que, a medida que el tubo absorbe el helio, la frecuencia de resonancia cambia bruscamente. Esto indica que la acumulación de helio en el nanotubo se ha realizado capa por capa, con discontinuidades tanto en el número de átomos absorbidos como en la velocidad del tercer sonido de la película absorbida. En este proceso han podido demostrar la formación de capas de helio de hasta cinco átomos de grueso.
El helio líquido es uno de los sistemas cuánticos por excelencia y su estudio requiere métodos teóricos avanzados. El grupo de investigación Barcelona Quantum Monte Carlo, liderado por Jordi Boronat, investigador del Departamento de Física de la UPC, ha participado en el análisis teórico del experimento en colaboración con la investigadora de la UPO Carmen Gordillo. La modelización teórica del sistema cuántico ha predicho las diferentes fases que luego se han observado en el experimento. Los datos obtenidos en el ICFO confirman las predicciones teóricas y muestran, por primera vez, y de manera clara, que el crecimiento de las capas adsorbidas sobre un nanotubo se produce a saltos, tal como corresponde a transiciones de fase de primer orden.
La combinación de resultados experimentales y teóricos muestran que el equipo ha sido capaz de construir películas superfluido de helio con varias capas atómicas de manera controlada y que estas multicapas de helio absorbidas en un nanotubo son de una calidad sin precedentes en comparación con estudios anteriores. Estos resultados abren una nueva vía de investigación en el campo de las transiciones de fases topológicas con el objetivo de realizar nuevas investigaciones en fluidos cuánticos y sólidos de geometría reducida.
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
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