O mecanismo Kibble–Zurek (KZ) é uma estrutura teórica introduzida pelos físicos Tom Kibble e Wojciech Zurek. Esta estrutura descreve essencialmente a formação de defeitos topológicos enquanto os sistemas passam por transições de fase de não equilíbrio.

Pesquisadores da Universidade Nacional de Seul e do Instituto de Ciências Básicas da Coreia observaram recentemente a incrustação de KZ em um gás Fermi homogêneo e fortemente interativo enquanto ele estava em transição para um superfluido.

O artigo, publicado na Nature Physics , pode abrir caminho para novos esforços experimentais que investiguem essa estrutura física de longa data.

"A superfluidez e a supercondutividade fascinam os físicos há quase um século", disse Kyuhwan Lee, coautor do artigo. "Elas são belas manifestações da mecânica quântica em larga escala.

"Falando de modo geral, quando temos muitas partículas interagindo que são frias o suficiente, elas podem fluir coletivamente sem nenhuma resistência. Uma questão natural que se segue é: como os superfluidos nascem e o que acontece durante a transição de uma fase normal (na qual eles fluem com resistência como a maioria dos líquidos comuns) para uma fase superfluida?"

Na década de 1980, Zurek decidiu abordar essa interessante questão de pesquisa experimentalmente, inspirando-se nas recentes estruturas cosmológicas de Kibble. Zurek propôs que sondar os restos da transição de fase de um sistema físico para um superfluido reuniria insights interessantes sobre como os superfluidos se originam.

"No contexto do nosso experimento, os remanescentes são vórtices quânticos, um fluxo espiralado com um momento angular quantizado", disse Lee. "A previsão central, agora também conhecida como escala KZ, é que o número de vórtices quânticos deve escalar como uma lei de potência com relação à rapidez com que você passa pela transição de fase superfluida.

Embora a escala KZ seja aplicável a uma ampla gama de sistemas, incluindo superfluidos, ferroelétricos, supercondutores, armadilhas de íons e matrizes de átomos de Rydberg, até agora ela foi observada principalmente em alguns desses sistemas. O principal objetivo do estudo de Lee e seus colegas era observar a escala KZ em um superfluido Fermi, o que até agora se mostrou particularmente desafiador.

"O verdadeiro impacto aqui é que observamos o comportamento de escala KZ previsto usando temperatura e força de interação como dois botões de controle distintos", disse Lee.

A amostra usada pelos pesquisadores foi uma nuvem atômica de 6 Li, que foi resfriada a temperaturas extremamente baixas (ou seja, algumas dezenas de nano Kelvin). Sua amostra tinha uma configuração única, que eles criaram usando um modulador de luz espacial (SLM). Sua configuração consistia em uma nuvem atômica espacialmente uniforme com uma geometria de disco e um diâmetro de aproximadamente 350 um.

"Para observar o comportamento de escala KZ, precisávamos de uma amostra espacialmente uniforme com uma área grande", explicou Lee. "Tinha que ser uniforme porque queríamos que a transição de fase superfluida ocorresse simultaneamente em toda a amostra.

"Se houver irregularidades, as transições de fase ocorrem em momentos diferentes para locais diferentes, o que torna as observações difíceis de comparar com previsões teóricas. Também queríamos que fosse grande, para que pudéssemos observar muitos vórtices quânticos e evitar efeitos de tamanho finito."

Um fator importante adicional que os pesquisadores consideraram ao projetar seu experimento foi a sintonização de interações em seu sistema experimental. Para sintonizar interações interatômicas, eles alavancaram a chamada ressonância magnética de Feshbach entre 6 átomos de Li em sua nuvem.

"Isso nos equipou com outra ferramenta para investigar a dinâmica de transição de fase do superfluido, em vez de usar apenas a temperatura como um botão de controle", disse Lee. "Armados com essas ferramentas empolgantes, nós extinguimos a temperatura ou a força de interação através da transição de fase do superfluido com velocidade variável."

Independentemente de terem alterado a temperatura do sistema ou a força das interações entre átomos, Lee e seus colegas observaram um comportamento de escala KZ idêntico (ou seja, universal) em sua amostra em uma ampla faixa dinâmica. Seu estudo, portanto, produziu a observação bem-sucedida da escala KZ em um superfluido, que antes permanecia elusiva.

"No líquido 4 He, outro exemplo representativo de um sistema superfluido, a escala de tempo típica da dinâmica de transição de fase estava simplesmente fora de alcance com resfriamentos mecânicos de pressão convencionais", disse Lee.

"No líquido 3 He, havia assinaturas de geração de vórtice quântico, que foi possibilitada por reações nucleares rápidas. Muitos fatores desconhecidos, no entanto, dificultaram uma comparação direta com a escala KZ.

"Em gases atômicos ultrafrios, há um trabalho importante na verificação da geração espontânea de vórtices quânticos e na revelação das propriedades de escala estática e dinâmica, mas a configuração típica da amostra dificultou a captura do comportamento de escala KZ."

O trabalho recente desta equipe de pesquisadores é uma contribuição significativa para o estudo da incrustação KZ em superfluidos. Sua conquista mais notável foi a observação de comportamento de incrustação idêntico, independentemente de a equipe estar manipulando a temperatura ou as interações em sua amostra.

"O conceito de universalidade, que hoje em dia é ensinado até mesmo em cursos de graduação em Mecânica Estatística, nos permite entender sistemas complexos e alucinantes de uma forma muito 'econômica'", disse Lee. "É realmente impressionante que possamos resolver uma característica comum em uma dinâmica de transição de fase tão complexa."

Em seus próximos estudos, Lee e seus colegas planejam investigar mais a fundo o comportamento que observaram durante seus experimentos que pode não ser simplesmente explicado pelo mecanismo KZ. Seus esforços futuros podem levar a mais observações valiosas, aprimorando ainda mais a compreensão da dinâmica de transição de fase de não equilíbrio em superfluidos de Fermi.

"Para resfriamentos rápidos, observamos um desvio do comportamento de escala KZ para resfriamentos de temperatura e interação", explicou Lee. "Um cenário possível para explicar isso é o chamado engrossamento de tempo inicial.

"Simplificando, o engrossamento precoce sugere que a dinâmica inicial (ou precoce) do crescimento do superfluido suprime a formação de vórtices quânticos para resfriamentos rápidos. Usando métodos de interferometria para medir a coerência de fase, seria interessante investigar como a dinâmica do engrossamento se encaixa no quadro."