O princa­pio de exclusão de Pauli éuma lei da meca¢nica qua¢ntica introduzida pelo fa­sico austra­aco Wolfgang Pauli, que oferece uma visão valiosa sobre a estrutura da matéria. Mais especificamente, o princa­pio de Pauli afirma que dois ou mais fanãrmions idaªnticos não podem ocupar simultaneamente o mesmo estado qua¢ntico dentro de um sistema qua¢ntico.

Pesquisadores do Instituto de Fa­sica da Universidade de Heidelberg observaram recentemente esse princa­pio diretamente em um sistema conta­nuo composto de atéseis partículas Seu experimento, descrito em um artigo publicado na Physical Review Letters , poderia abrir o caminho para uma melhor compreensão de sistemas de interação forte compostos de fanãrmions.

"A visão de estudar sistemas complexos de muitos corpos a partir de blocos de construção pequenos e bem compreendidos tem uma longa história em nosso grupo", disse Luca Bayha e Marvin Holten, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo recente, ao Phys.org via o email. "Isso começou com experimentos em que formamos um mar fermi, um a¡tomo de cada vez, culminando em um de nossos últimos estudos onde pudemos observar sinais de uma transição de fase qua¢ntica em sistemas de apenas seis a¡tomos ."

Nos últimos anos, Bayha, Holten e seus colegas empenharam-se muito no desenvolvimento de uma nova técnica que lhes permitisse obter imagens de a¡tomos individuais em sistemas mesosca³picos, a fim de examina¡-los com mais detalhes. Em seu estudo recente, eles aplicaram essa técnica a sistemas conta­nuos de atéseis a¡tomos fermia´nicos não interagentes pela primeira vez.

"O objetivo principal do nosso estudo foi observar correlações de ordem superior em um sistema conta­nuo", disseram Bayha e Holten. "O sistema sem interação atua como um ponto de partida ideal para avaliar nosso experimento."

Em 2016, um grupo de pesquisa liderado por Mariusz Gajda propa´s pela primeira vez que correlações de ordem superior poderiam ser visualizadas como 'cristais de Pauli'. Os cristais de Pauli são belos padraµes que podem emergir em uma nuvem de fanãrmions presos e não interagentes.

Atéagora, Bayha, Holten e seus colegas observaram esses padraµes em sistemas contendo atéseis partículas No futuro pra³ximo, no entanto, eles esperam realizar novos experimentos com maispartículas e interações fortes. Isso permitiria que eles examinassem melhor o emparelhamento e a superfluidez em sistemas 2-D.

"A observação direta do princa­pio de Pauli em sistemas conta­nuos impaµe requisitos bastante desafiadores no experimento", explicou Bayha e Holten. "O sistema tem que ser frio o suficiente e controlado em escalas de energia absoluta muito baixas. Sa³ então, as funções de onda daspartículas individuais se sobrepaµem e sua natureza fermia´nica torna-se importante."

Para garantir que eles pudessem observar diretamente o princa­pio de Pauli em sistemas conta­nuos, os pesquisadores aperfeia§oaram uma técnica de resfriamento na qual foram pioneiros hálguns anos. Esta técnica permite a remoção de todos os a¡tomos 'quentes' com energias mais altas de um sistema de forma determina­stica. Ao remover esses a¡tomos, os pesquisadores foram capazes de preparar o estado fundamental do sistema (ou seja, a energia mais baixa) com altos na­veis de fidelidade.

Depois de resfriar um sistema o suficiente, Bayha, Holten e seus colegas precisaram reunir observações com resolução de um aºnico a¡tomo e alta fidelidade de detecção, para observar o princa­pio de Pauli. Eles conseguiram isso deixando a nuvem de a¡tomos se expandir por um determinado tempo antes de tirar uma imagem.

“O manãtodo que usamos efetivamente amplia o sistema por um fator de 50”, disseram Bayha e Holten. "Em seguida, iluminamos a nuvem com dois feixes de laser opostos e coletamos fa³tons espalhados em uma ca¢mera extremamentesensívelque detecta quase todos os fa³tons que atingem o chip. Juntos, esses manãtodos nos permitem resolver a¡tomos individuais com probabilidades de detecção da ordem de 99%. "

As observações reunidas por esta equipe de pesquisadores demonstram que a correlação entrepartículas individuais também pode ser observada em sistemas conta­nuos, nos quais as funções de onda daspartículas individuais se sobrepaµem. Atéagora, Bayha, Holten e seus colegas usaram a técnica que desenvolveram para observar os cristais de Pauli, que são belas visualizações do princa­pio de Pauli. No entanto, a mesma técnica poderia em breve ser usada para explorar outros sistemas de muitos corpos fortemente correlacionados.

"Agora planejamos estender o manãtodo de imagem aos sistemas de interação", disseram Holten e Bayha. "Aqui, as correlações entre aspartículas não surgem devido ao princa­pio de Pauli, mas devido a s interações. Isso nos permitira¡ sondar como as correlações em sistemas interagentes surgem em umnívelmicrosca³pico e dar novos insights sobre matéria fermia´nica e superfluidos em interação forte . "