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Observando o nascimento de uma quasipartícula
Artigo, publicado na Nature Physics , lança luz sobre o comportamento dinâmico de sistemas interativos de muitos corpos, ao mesmo tempo em que melhora a compreensão atual de como os polarons de Bose são formados.
Por Ingrid Fadelli - 11/03/2021


Um átomo de impureza pode evoluir gradualmente para uma quase-partícula ao interagir com um meio circundante. Este processo é semelhante à distorção de uma rede cristalina causada por um elétron que se move através de um sólido, conforme mostrado no detalhe. Crédito: CCQ, Aarhus University.

Nas últimas décadas, físicos em todo o mundo têm tentado obter uma melhor compreensão da dinâmica do desequilíbrio em sistemas quânticos de muitos corpos. Alguns estudos investigaram o que é conhecido como quasipartículas, distúrbios ou entidades em sistemas físicos que exibem comportamento semelhante ao das partículas.

Pesquisadores da Universidade de Aarhus realizaram recentemente um estudo investigando a dinâmica do desequilíbrio de uma impureza quântica imersa em um ambiente bosônico. Seu artigo, publicado na Nature Physics , lança luz sobre o comportamento dinâmico de sistemas interativos de muitos corpos, ao mesmo tempo em que melhora a compreensão atual de como os polarons de Bose são formados.

"Nosso artigo recente é parte de uma extensa investigação das chamadas quasipartículas e é o culminar de uma colaboração frutífera entre físicos experimentais e teóricos da Universidade de Aarhus", disse Magnus G. Skou, um dos pesquisadores que realizaram o estudo. .org. "As quasipartículas são extremamente interessantes, pois podem consistir em inúmeras partículas e suas excitações."

A ideia de quasipartículas foi introduzida pela primeira vez na década de 1930 pelo físico Lev Landau, que estava tentando obter uma melhor compreensão dos sistemas quânticos complexos. Os experimentos realizados por Skou e seus colegas baseiam-se em modelos criados por Landau.

Em seus estudos, os pesquisadores prepararam estados de superposição coerente de átomos em um condensado de Bose-Einstein com um pequeno componente de estado de impureza usando uma técnica interferométrica. Posteriormente, eles monitoraram a evolução dessas superposições quânticas e sua transição para quasipartículas polarônicas.

Uma parte central do experimento, onde os átomos são inicialmente
presos e resfriados a temperaturas bem abaixo do espaço interestelar.
Crédito: Lars Kruse / AU foto.

Notavelmente, os pesquisadores foram capazes de observar o nascimento de uma classe única de quasipartículas, chamada polarons de Bose, pela primeira vez. Enquanto no passado vários grupos de pesquisa detectaram sinais dessas quasipartículas em ambientes de laboratório, até agora observar sua formação gradual ao longo do tempo revelou-se altamente desafiador, principalmente porque os processos através dos quais elas são formadas são extremamente rápidos.

"Estudamos como as impurezas interagem com um meio puro e se transformam em polarons de Bose", explicou Skou. "Nossos experimentos foram realizados usando um meio de átomos resfriados a uma temperatura incrivelmente baixa de apenas um bilionésimo de grau acima do zero absoluto, que está muito abaixo da temperatura do espaço sideral."

Usando um gás de átomos ultracold, Skou e seus colegas foram capazes de estudar impurezas quânticas em ambientes extremamente puros e bem controlados. Essas impurezas foram criadas pela transferência de alguns dos átomos médios para um estado quântico de impureza especial, usando um pulso de radiofrequência ultrarrápido de apenas 0,5 µs.
 
"Descobrimos que as impurezas começaram a interagir dinamicamente com os átomos do meio e medimos essa evolução usando outro pulso curto de radiofrequência", disse Skou. "Este esquema de dois pulsos possibilitou que observássemos a eventual formação de quasipartículas do polaron ."

Em seus experimentos, Skou e seus colegas observaram três regimes distintos de evolução de impurezas marcados por transições dinâmicas. Esses regimes, então, ligam a dinâmica física inicial de poucos e, posteriormente, de muitos corpos.

"Nosso estudo é um grande passo à frente na compreensão dos polarons de Bose, sua dinâmica de desequilíbrio e como eles são formados", disse Skou. "Esses fenômenos quânticos são extremamente fascinantes por si só, mas, além disso, conjectura-se que sejam elementos-chave em tecnologias exóticas, como semicondutores orgânicos e supercondutores."

No futuro, as descobertas reunidas por Skou e seus colegas podem abrir novas possibilidades para estudar fenômenos quânticos de não equilíbrio, que por sua vez podem informar o desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em semicondutores e supercondutores. Em seus próximos estudos, os pesquisadores também planejam investigar as maneiras como os polarons interagem entre si.

"Essas interações foram teoricamente previstas em 2018 para permitir que dois polarons se liguem, o que gera uma nova quase-partícula conhecida como bipolaron Bose ", disse Skou. "Isso adiciona uma camada completamente nova de física quântica complexa, mas excitante. Embora essa quasipartícula não tenha sido vista em um gás ultracold ainda, acreditamos que nosso experimento pode ter potencial para observar sua existência."

 

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