Físicos japoneses e americanos usaram átomos cerca de 3 bilhões de vezes mais frios que o espaço interestelar para abrir um portal para um reino inexplorado do magnetismo quântico.
“A menos que uma civilização alienígena esteja fazendo experimentos como esses agora, sempre que esse experimento está sendo executado na Universidade de Kyoto, está produzindo os férmions mais frios do universo”, disse Kaden Hazzard, da Universidade Rice, autor da teoria correspondente de um estudo publicado hoje na Nature Physics. “Os férmions não são partículas raras. Eles incluem coisas como elétrons e são um dos dois tipos de partículas de que toda a matéria é feita.”
Uma equipe de Kyoto liderada pelo autor do estudo Yoshiro Takahashi usou lasers para resfriar seus férmions, átomos de itérbio, dentro de cerca de um bilionésimo de grau do zero absoluto, a temperatura inatingível onde todo o movimento para. Isso é cerca de 3 bilhões de vezes mais frio que o espaço interestelar, que ainda é aquecido pelo brilho do Big Bang.
“A recompensa de ficar tão frio é que a física realmente muda”, disse Hazzard. “A física começa a se tornar mais mecânica quântica e permite que você veja novos fenômenos”.
Os átomos estão sujeitos às leis da dinâmica quântica, assim como elétrons e fótons, mas seus comportamentos quânticos só se tornam evidentes quando são resfriados dentro de uma fração de grau do zero absoluto. Os físicos usaram o resfriamento a laser para estudar as propriedades quânticas de átomos ultrafrios por mais de um quarto de século. Os lasers são usados tanto para resfriar os átomos quanto para restringir seus movimentos a redes ópticas, canais de luz 1D, 2D ou 3D que podem servir como simuladores quânticos capazes de resolver problemas complexos além do alcance dos computadores convencionais.
O laboratório de Takahashi usou treliças ópticas para simular um modelo de Hubbard, um modelo quântico muito usado criado em 1963 pelo físico teórico John Hubbard. Os físicos usam os modelos de Hubbard para investigar o comportamento magnético e supercondutor de materiais, especialmente aqueles em que as interações entre os elétrons produzem um comportamento coletivo, um pouco como as interações coletivas de torcedores de esportes que realizam “a onda” em estádios lotados.
“O termômetro que eles usam em Kyoto é uma das coisas importantes fornecidas por nossa teoria”, disse Hazzard, professor associado de física e astronomia e membro da Rice Quantum Initiative. “Comparando suas medições com nossos cálculos, podemos determinar a temperatura. A temperatura recorde é alcançada graças a uma nova física divertida que tem a ver com a simetria muito alta do sistema.”
O modelo de Hubbard simulado em Kyoto tem uma simetria especial conhecida como SU(N), onde SU significa grupo unitário especial – uma forma matemática de descrever a simetria – e N denota os possíveis estados de spin das partículas no modelo. Quanto maior o valor de N, maior a simetria do modelo e a complexidade dos comportamentos magnéticos que ele descreve. Os átomos de itérbio têm seis possíveis estados de spin, e o simulador de Kyoto é o primeiro a revelar correlações magnéticas em um modelo SU(6) Hubbard, que são impossíveis de calcular em um computador.
“Essa é a verdadeira razão para fazer este experimento”, disse Hazzard. “Porque estamos morrendo de vontade de conhecer a física deste modelo SU(N) Hubbard.”
O coautor do estudo, Eduardo Ibarra-García-Padilla, estudante de pós-graduação do grupo de pesquisa de Hazzard, disse que o modelo Hubbard visa capturar os ingredientes mínimos para entender por que materiais sólidos se tornam metais, isolantes, ímãs ou supercondutores.
“Uma das questões fascinantes que os experimentos podem explorar é o papel da simetria”, disse Ibarra-García-Padilla. “Ter a capacidade de projetá-lo em um laboratório é extraordinário. Se pudermos entender isso, pode nos guiar para fazer materiais reais com propriedades novas e desejadas.”
A equipe de Takahashi mostrou que poderia prender até 300.000 átomos em sua rede 3D. Hazzard disse que calcular com precisão o comportamento de até mesmo uma dúzia de partículas em um modelo SU(6) Hubbard está além do alcance dos supercomputadores mais poderosos. Os experimentos de Kyoto oferecem aos físicos a chance de aprender como esses complexos sistemas quânticos operam, observando-os em ação.
Os resultados são um passo importante nessa direção e incluem as primeiras observações de coordenação de partículas em um modelo SU(6) Hubbard, disse Hazzard.
“No momento, essa coordenação é de curto alcance, mas à medida que as partículas são resfriadas ainda mais, fases mais sutis e exóticas da matéria podem aparecer”, disse ele. “Uma das coisas interessantes sobre algumas dessas fases exóticas é que elas não são ordenadas em um padrão óbvio e também não são aleatórias. Existem correlações, mas se você olhar para dois átomos e perguntar: ‘Eles estão correlacionados?’ você não os verá. Eles são muito mais sutis. Você não pode olhar para dois ou três ou mesmo 100 átomos. Você meio que tem que olhar para todo o sistema.”
Os físicos ainda não têm ferramentas capazes de medir tal comportamento no experimento de Kyoto. Mas Hazzard disse que o trabalho já está em andamento para criar as ferramentas, e o sucesso da equipe de Kyoto estimulará esses esforços.
“Esses sistemas são bastante exóticos e especiais, mas a esperança é que, ao estudá-los e compreendê-los, possamos identificar os principais ingredientes que precisam estar presentes em materiais reais”, disse ele.
Publicado em 05/09/2022 14h53
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