O conceito de física universal é intrigante, pois permite que os pesquisadores relacionem fenômenos físicos em uma variedade de sistemas, independentemente de suas características e complexidades variáveis. Sistemas atômicos ultracold são freqüentemente percebidos como plataformas ideais para explorar a física universal, devido ao controle preciso de parâmetros experimentais (como força de interação, temperatura, densidade, estados quânticos, dimensionalidade e potencial de captura) que podem ser mais difíceis de ajustar. sistemas mais convencionais. De fato, sistemas atômicos ultrafrios têm sido usados ??para entender melhor uma infinidade de comportamentos físicos complexos, incluindo os tópicos em cosmologia, física de partículas, nuclear, molecular e, principalmente, em física da matéria condensada, onde as complexidades dos fenômenos quânticos de muitos corpos são mais difíceis de investigar usando abordagens mais tradicionais.
Entender a aplicabilidade e a robustez da física universal é, portanto, de grande interesse. Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade do Colorado Boulder realizaram um estudo, recentemente apresentado em Physical Review Letters, com o objetivo de testar os limites da universalidade em um sistema ultracold.
“Diferentemente de outros sistemas físicos, a beleza dos sistemas ultracold é que, às vezes, podemos descartar a importância da tabela periódica e demonstrar o fenômeno semelhante com qualquer espécie atômica escolhida (seja potássio, rubídio, lítio, estrôncio, etc.) ), “Roman Chapurin, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse ao Phys.org. “O comportamento universal é independente dos detalhes microscópicos. Compreender as limitações do fenômeno universal é de grande interesse”.
Devido à natureza de poucos corpos das interações na maioria dos sistemas de ultracold, os pesquisadores precisam obter um melhor conhecimento da física de poucas partículas para entender melhor o complexo fenômeno de ultracold em muitos corpos. A equipe do NIST e da CU Boulder se interessou em explorar os limites da universalidade em um fenômeno universal de poucos corpos chamado física Efimov.
Inicialmente teorizado no contexto da física nuclear, esse fenômeno quântico exótico prevê que fortes interações de dois corpos podem mediar a atração de três corpos e formar estados de três corpos fracamente ligados, denominados trimers Efimov. De fato, há um número infinito de aparadores Efimov, cujos tamanhos e energias se relacionam entre si por um fator numérico universal.
Além dessa escala universal, os pesquisadores notaram mais tarde que, em sistemas atômicos, todos os tamanhos de trimers Efimov são os mesmos (em unidades redimensionadas), independentemente da espécie atômica escolhida ou dos detalhes exatos nas interações subjacentes de dois corpos que mediam as três forças corporais na física de Efimov. O último aspecto universal da física de Efimov é conhecido como “universalidade de van der Waals” e foi considerado verdadeiro até o estudo recente.
“A importância da universalidade na física de Efimov é que somos capazes de entender e prever a imagem completa da interação de poucos corpos em escalas arbitrárias de grande comprimento, considerando apenas o amplo conhecimento da física de dois corpos”, disse Chapurin. “Nossa medida mostra que esse nem sempre é o caso, demonstrando o primeiro desvio da universalidade de van der Waals e testando os limites da física universal em um sistema de poucos corpos”.
Chapurin e colegas realizaram medições precisas de poucos corpos para determinar as propriedades dos trimers Efimov em um gás potássio ultracoldido. O alto grau de controle sobre os parâmetros experimentais, junto com os baixos erros estatísticos e sistemáticos, permitiram encontrar a primeira evidência convincente de aparadores Efimov não universais. Os pesquisadores descobriram os aparadores Efimov com tamanhos significativamente maiores do que o previsto pela teoria universal.
“Nossas medidas, com precisão sem precedentes, revelaram um resultado surpreendente: o primeiro desvio definitivo da universalidade de van der Waals”, disse Chapurin. “Medimos os tamanhos dos trimers Efimov como diferentes do que a teoria universal prevê e diferentes de todas as medições anteriores em diferentes espécies atômicas”.
Para entender melhor suas observações, os pesquisadores desenvolveram um novo modelo teórico de três corpos. Seu modelo sugere que, em raras circunstâncias, os detalhes microscópicos / finos do problema (neste caso, as complexas interações de rotação) podem afetar drasticamente os observáveis ??macroscópicos, como o tamanho dos trimers Efimov.
“Descobrimos que um modelo refinado de três corpos baseado em nossas medidas precisas de interações entre dois corpos, sem dúvida a medida mais precisa da física de dois corpos em um sistema ultracold, pode explicar o resultado não universal observado”, explicou Chapurin. “Nesta rara ocorrência, os detalhes microscópicos finos e complexos das interações quebram a natureza universal da física de Efimov.”
Embora as observações experimentais apontem claramente para um forte desvio da universalidade de van der Waals, “nem tudo o que é universal está perdido”, segundo Jose D’Incao, também pesquisador do estudo. Ele acrescentou que: “uma das premissas da universalidade ainda persiste: sabendo apenas como dois átomos interagem, todas as propriedades de baixa energia dos sistemas triatômicos Efimov podem ser derivadas, sem a necessidade de se referir às forças químicas de três corpos mais tradicionais e complicadas. . “
O estudo realizado por Chapurin e colegas reuniu novas observações fascinantes que poderiam aprimorar o entendimento atual da universalidade na física de poucos corpos. Embora os pesquisadores tenham sido capazes de fornecer uma explicação experimental, muitas perguntas permanecem sem resposta.
Por exemplo, embora o artigo ofereça informações sobre o desvio observado da universalidade do primeiro estado de Efimov, o efeito dessa física microscópica complexa nos estados consecutivos de Efimov (na série infinita de Efimov) ainda é uma questão em aberto. Os estudos desses estados consecutivos fracamente ligados requerem temperaturas cada vez mais frias (menos de um bilionésimo de grau acima do zero absoluto) que são melhor atingidas em um ambiente de microgravidade. A equipe, que faz parte da maior colaboração da JILA, espera resolver essa questão realizando experimentos futuros no Laboratório de Átomo Frio na Estação Espacial Internacional.
Publicado em 16/01/2020
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