Tecnologia Científica

A observação direta do princípio de Pauli
Pesquisadores do Instituto de Física da Universidade de Heidelberg observaram recentemente esse princípio diretamente em um sistema contínuo composto de até seis partículas.
Por Ingrid Fadelli - 08/02/2021


Renderização artística do experimento realizado pelos pesquisadores. No futuro, eles planejam estender seus métodos de imagem e análise para sistemas de interação, para estudar emparelhamento e superfluidez em sistemas de Fermi mesoscópicos fortemente correlacionados. Créditos: Jonas Ahlstedt, Lund Bioimaging Center (LIBC).

O princípio de exclusão de Pauli é uma lei da mecânica quântica introduzida pelo físico austríaco Wolfgang Pauli, que oferece uma visão valiosa sobre a estrutura da matéria. Mais especificamente, o princípio de Pauli afirma que dois ou mais férmions idênticos não podem ocupar simultaneamente o mesmo estado quântico dentro de um sistema quântico.

Pesquisadores do Instituto de Física da Universidade de Heidelberg observaram recentemente esse princípio diretamente em um sistema contínuo composto de até seis 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 férmions.

"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 átomo de cada vez, culminando em um de nossos últimos estudos onde pudemos observar sinais de uma transição de fase quântica em sistemas de apenas seis átomos ."

Nos últimos anos, Bayha, Holten e seus colegas empenharam-se muito no desenvolvimento de uma nova técnica que lhes permitisse obter imagens de átomos individuais em sistemas mesoscópicos, a fim de examiná-los com mais detalhes. Em seu estudo recente, eles aplicaram essa técnica a sistemas contínuos de até seis átomos fermiônicos não interagentes pela primeira vez.

"O objetivo principal do nosso estudo foi observar correlações de ordem superior em um sistema contínuo", 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 propôs pela primeira vez que correlações de ordem superior poderiam ser visualizadas como 'cristais de Pauli'. Os cristais de Pauli são belos padrões que podem emergir em uma nuvem de férmions presos e não interagentes.

Até agora, Bayha, Holten e seus colegas observaram esses padrões em sistemas contendo até seis partículas. No futuro próximo, no entanto, eles esperam realizar novos experimentos com mais partículas e interações fortes. Isso permitiria que eles examinassem melhor o emparelhamento e a superfluidez em sistemas 2-D.
 
"A observação direta do princípio de Pauli em sistemas contínuos impõe 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. Só então, as funções de onda das partículas individuais se sobrepõem e sua natureza fermiônica torna-se importante."

O cristal de Pauli mostra em qual configuração seis átomos fermiônicos se alinham em
uma armadilha harmônica bidimensional com mais frequência. As fortes correlações entre
as posições relativas das partículas não interagentes são o resultado do princípio de exclusão
de Pauli. A imagem foi criada analisando vários milhares de imagens experimentais com
resolução de átomo único. Créditos: Selim Jochim Group, University Heidelberg.

Para garantir que eles pudessem observar diretamente o princípio de Pauli em sistemas contínuos, os pesquisadores aperfeiçoaram uma técnica de resfriamento na qual foram pioneiros há alguns anos. Esta técnica permite a remoção de todos os átomos 'quentes' com energias mais altas de um sistema de forma determinística. Ao remover esses átomos, os pesquisadores foram capazes de preparar o estado fundamental do sistema (ou seja, a energia mais baixa) com altos níveis de fidelidade.

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

“O método 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 fótons espalhados em uma câmera extremamente sensível que detecta quase todos os fótons que atingem o chip. Juntos, esses métodos nos permitem resolver átomos individuais com probabilidades de detecção da ordem de 99%. "

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

Imagem única de seis átomos fermiônicos confinados em uma armadilha de oscilador
harmônico bidimensional. A imagem foi obtida após uma expansão do sistema para
aumentar a resolução efetiva. Créditos: Selim Jochim Group, University Heidelberg.

"Agora planejamos estender o método de imagem aos sistemas de interação", disseram Holten e Bayha. "Aqui, as correlações entre as partículas não surgem devido ao princípio de Pauli, mas devido às interações. Isso nos permitirá sondar como as correlações em sistemas interagentes surgem em um nível microscópico e dar novos insights sobre matéria fermiônica e superfluidos em interação forte . "

 

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