Por décadas, a física quântica ensinou que partículas conhecidas como bósons têm uma tendência natural a “se agrupar” — um comportamento que sustenta fenômenos como a condensação de Bose–Einstein e explica por que certos processos de espalhamento se intensificam quando o estado final já está ocupado. Mas um novo estudo publicado nesta sexta-feira (20), na revista Nature Physics, desafia a simplicidade dessa narrativa.

Pesquisadores demonstraram que interações atômicas extremamente fracas — pequenas demais para alterar visivelmente a distribuição de momento das partículas — podem suprimir ou até ampliar de forma marcante essa chamada estimulação bosônica.

“Mostramos que a taxa de espalhamento da luz não depende apenas de quantos átomos ocupam um estado final, mas das correlações locais entre eles”, afirmou Konstantinos Konstantinou, da Universidade de Cambridge, autor principal do estudo. “Essas correlações são drasticamente sensíveis às interações, mesmo quando elas parecem desprezíveis.”

No experimento, a equipe trabalhou com um gás quase homogêneo de potássio-39 ultrafrio, confinado em uma armadilha óptica do tipo “caixa”. A temperatura do sistema foi ajustada para valores próximos ao limiar de formação de um condensado de Bose–Einstein — onde os efeitos coletivos quânticos se tornam dominantes.

Ao iluminar o gás com um laser fora de ressonância e medir a luz espalhada em um ângulo específico, os cientistas puderam quantificar o chamado fator de intensificação bosônica, representado por E = ?/??. Em um gás ideal, sem interações, esse fator pode chegar a aproximadamente 2 nas condições mais densas testadas — o dobro da taxa de espalhamento esperada para partículas independentes.

Mas o cenário mudou quando os pesquisadores manipularam as interações entre os átomos usando ressonâncias de Feshbach — um método que permite ajustar a intensidade da força entre partículas com campos magnéticos.

Mesmo quando o comprimento de espalhamento era cerca de dez vezes menor que o tamanho típico do pacote de onda atômico, a intensificação foi quase totalmente suprimida.

O estudo também revelou que, ao alterar abruptamente a intensidade das interações — um procedimento conhecido como quench — o sistema ajusta suas correlações locais em cerca de 25 microssegundos. Esse intervalo é muito mais curto do que o tempo necessário para que a distribuição global de momentos dos átomos mude.

Em outras palavras, a luz espalhada “enxerga” mudanças microscópicas antes que o gás, como um todo, tenha tempo de se reorganizar.

“Estamos acessando a dinâmica de correlações de segunda ordem em escalas de tempo que eram praticamente invisíveis em experimentos anteriores”, afirmou Wolfgang Ketterle, do MIT, prêmio Nobel de Física e coautor do trabalho.

Se interações repulsivas enfraquecem a intensificação bosônica, interações atrativas fazem o oposto. Ao ajustar o sistema para valores negativos do comprimento de espalhamento, os pesquisadores observaram que o fator de intensificação ultrapassava o nível do gás ideal, chegando a cerca de 1,5 nas condições estudadas.

O efeito foi simétrico para interações atrativas e repulsivas de mesma magnitude em tempos curtos, conforme previsto teoricamente em primeira ordem. Em escalas de tempo maiores, porém, a dinâmica com interações atrativas mostrou-se mais complexa — e ainda não completamente compreendida.

Tradicionalmente, muitos fenômenos em gases quânticos fracos são descritos com sucesso por teorias de campo médio, que consideram apenas efeitos médios das interações. No entanto, os resultados agora apresentados mostram que essa abordagem não captura adequadamente as correlações locais responsáveis pela modulação da estimulação bosônica.

Os cálculos indicam que o efeito pode ser descrito por uma correção proporcional à razão entre o comprimento de espalhamento e o comprimento de onda térmico — um fator amplificado por um coeficiente numérico da ordem de 10 a 15, evidenciando a extrema sensibilidade do método experimental.

Além de revisar um conceito clássico da estatística quântica, o trabalho estabelece o espalhamento de luz fora de ressonância como uma nova ferramenta para investigar sistemas de muitos corpos, tanto em equilíbrio quanto fora dele.

Os autores sugerem que o método poderá ser aplicado a gases turbulentos, sistemas próximos à unitariedade — onde as interações se tornam máximas — e até para estudar comportamento crítico próximo à temperatura de condensação.

“Estamos apenas começando a explorar o que essa técnica pode revelar”, disse Hadzibabic. “Ela nos dá acesso direto às flutuações microscópicas que governam a física coletiva.”

Em um campo onde a fronteira entre partículas individuais e comportamento coletivo define os fenômenos mais intrigantes, a descoberta reforça uma lição recorrente da física quântica: mesmo as interações mais sutis podem deixar marcas profundas.