Pesquisadores da EPFL descobriram uma nova maneira de criar uma estrutura cristalina chamada “onda de densidade” em um gás atômico. Essa descoberta pode nos ajudar a entender melhor o comportamento da matéria quântica, um dos problemas mais complexos da física.
“Os gases atômicos frios eram bem conhecidos no passado pela capacidade de ‘programar’ as interações entre os átomos”, diz o professor Jean-Philippe Brantut da EPFL. “Nosso experimento dobra essa capacidade!” Trabalhando com o grupo do professor Helmut Ritsch da Universidade de Innsbruck, eles fizeram uma descoberta que pode impactar não apenas a pesquisa quântica, mas também as tecnologias quânticas no futuro.
Ondas de densidade
Os cientistas há muito se interessam em entender como os materiais se auto-organizam em estruturas complexas, como os cristais. No mundo muitas vezes misterioso da física quântica, esse tipo de auto-organização de partículas é visto em “ondas de densidade”, onde as partículas se organizam em um padrão ou “ordem” regular e repetitivo; como um grupo de pessoas com camisas de cores diferentes em pé em uma fila, mas em um padrão em que duas pessoas com camisas da mesma cor não fiquem lado a lado.
Ondas de densidade são observadas em uma variedade de materiais, incluindo metais, isolantes e supercondutores. No entanto, estudá-los tem sido difícil, principalmente quando essa ordem (os padrões das partículas na onda) ocorre com outros tipos de organização, como a superfluidez – propriedade que permite que as partículas fluam sem resistência.
Vale a pena notar que a superfluidez não é apenas uma curiosidade teórica; é de imenso interesse para o desenvolvimento de materiais com propriedades únicas, como a supercondutividade de alta temperatura, que pode levar a uma transferência e armazenamento de energia mais eficientes, ou para a construção de computadores quânticos.
Ajustando um gás Fermi com luz
Para explorar essa interação, Brantut e seus colegas, os pesquisadores criaram um “gás de Fermi unitário”, um gás fino de átomos de lítio resfriados a temperaturas extremamente baixas e onde os átomos colidem uns com os outros com muita frequência.
Os pesquisadores então colocaram esse gás em uma cavidade óptica, um dispositivo usado para confinar a luz em um pequeno espaço por um longo período de tempo. As cavidades ópticas são feitas de espelhos de duas faces que refletem a luz recebida de um lado para o outro milhares de vezes, permitindo que partículas de luz, fótons, se acumulem dentro da cavidade.
No estudo, os pesquisadores usaram a cavidade para fazer com que as partículas do gás de Fermi interagissem a longas distâncias: um primeiro átomo emitia um fóton que quicava nos espelhos, que era então reabsorvido pelo segundo átomo do gás, independentemente de quão longe está do primeiro. Quando fótons suficientes são emitidos e reabsorvidos – facilmente sintonizados no experimento – os átomos se organizam coletivamente em um padrão de onda de densidade.
“A combinação de átomos colidindo diretamente uns com os outros no gás de Fermi, ao mesmo tempo em que trocam fótons a longa distância, é um novo tipo de matéria onde as interações são extremas”, diz Brantut. “Esperamos que o que veremos lá melhore nossa compreensão de alguns dos materiais mais complexos encontrados na física.”
Publicado em 29/07/2023 21h55
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