Pesquisadores da Universidade de Cambridge usaram modelagem por computador para estudar novas fases potenciais da matéria conhecidas como cristais de tempo discreto pré-termal (DTCs). Pensava-se que as propriedades dos DTCs pré-termais dependiam da física qua¢ntica: as estranhas leis que regem aspartículas na escala subatômica. No entanto, os pesquisadores descobriram que uma abordagem mais simples, baseada na física cla¡ssica, pode ser usada para entender esses fena´menos misteriosos.

Compreender essas novas fases da matéria éum passo a  frente em direção ao controle de sistemas complexos de muitos corpos, uma meta de longa data com várias aplicações potenciais, como simulações de redes qua¢nticas complexas. Os resultados são relatados em dois trabalhos conjuntos na Physical Review Letters e Physical Review B .

Quando descobrimos algo novo, seja um planeta, um animal ou uma doena§a, podemos aprender mais sobre isso olhando cada vez mais de perto. Teorias mais simples são tentadas primeiro e, se não funcionarem, teorias ou manãtodos mais complicados são tentados.  

“Isso era o que pensa¡vamos ser o caso com DTCs pré-termais”, disse Andrea Pizzi, uma candidata a PhD no Laborata³rio Cavendish de Cambridge, primeira autora em ambos os artigos. “Na³s pensamos que eles eram fundamentalmente fena´menos qua¢nticos, mas parece que uma abordagem cla¡ssica mais simples nos permite aprender mais sobre eles.”

Os DTCs são sistemas fa­sicos altamente complexos e ainda hámuito a aprender sobre suas propriedades incomuns. Como um cristal de espaço padrãoquebra a simetria de translação do espaço porque sua estrutura não éa mesma em todos os lugares no Espaço, os DTCs quebram uma simetria de translação de tempo distinta porque, quando 'sacudidos' periodicamente, sua estrutura muda a cada 'empurra£o'.

“Vocaª pode pensar nisso como um pai empurrando uma criana§a no balana§o de um parquinho”, disse Pizzi. “Normalmente, o pai empurra a criana§a, a criana§a vai balana§ar para trás, e o pai então empurra novamente. Na física, este éum sistema bastante simples. Mas se vários balana§os estivessem no mesmo playground, e se as criana§as neles estivessem de ma£os dadas, então o sistema se tornaria muito mais complexo e comportamentos muito mais interessantes e menos a³bvios poderiam surgir. Um DTC pré-termal éum desses comportamentos, em que os a¡tomos, agindo como se fossem oscilações, apenas 'voltam' a cada segundo ou terceiro impulso, por exemplo. ”

Previstos pela primeira vez em 2012, os DTCs abriram um novo campo de pesquisa e tem sido estudados em vários tipos, inclusive em experimentos. Entre eles, os DTCs pré-termais são sistemas relativamente simples de realizar que não aquecem rapidamente como normalmente seria esperado, mas em vez disso exibem comportamento cristalino por muito tempo: quanto mais rápido eles são abalados, mais eles sobrevivem. No entanto, pensava-se que eles se baseavam em fena´menos qua¢nticos.

“Desenvolver teorias qua¢nticas écomplicado e, mesmo quando vocêo gerencia, seus recursos de simulação geralmente são muito limitados, porque o poder computacional necessa¡rio éincrivelmente grande”, disse Pizzi.

Agora, Pizzi e seus coautores descobriram que, para DTCs pré-termais, eles podem evitar o uso de abordagens qua¢nticas excessivamente complicadas e, em vez disso, usar abordagens cla¡ssicas muito mais acessa­veis. Dessa forma, os pesquisadores podem simular esses fena´menos de uma forma muito mais abrangente. Por exemplo, eles agora podem simular muito mais constituintes elementares, obtendo acesso aos cenários que são mais relevantes para os experimentos, como em duas ou trêsDimensões .

Usando uma simulação de computador, os pesquisadores estudaram muitos giros em interação - como as criana§as nos balana§os - sob a ação de um campo magnético peria³dico - como o pai empurrando o balana§o - usando a dina¢mica hamiltoniana cla¡ssica. A dina¢mica resultante mostrou de forma na­tida e clara as propriedades dos DTCs pré-termais: por muito tempo, a magnetização do sistema oscila com um período maior que o do drive.

“a‰ surpreendente como esse manãtodo élimpo”, disse Pizzi. “Porque nos permite olhar para sistemas maiores, torna muito claro o que estãoacontecendo. Ao contra¡rio de quando usamos manãtodos qua¢nticos, não temos que lutar com este sistema para estuda¡-lo. Esperamos que esta pesquisa estabelea§a a dina¢mica hamiltoniana cla¡ssica como uma abordagem adequada para simulações em grande escala de sistemas complexos de muitos corpos e abra novos caminhos no estudo de fena´menos de não-equila­brio, dos quais DTCs pré-termais são apenas um exemplo. ”

Os coautores de Pizzi nos dois artigos, ambos recentemente baseados em Cambridge, são o Dr. Andreas Nunnenkamp, ​​agora na Universidade de Viena, na austria, e o Dr. Johannes Knolle, agora na Universidade Tanãcnica de Munique, na Alemanha.

Enquanto isso, na UC Berkeley, nos EUA, o grupo de Norman Yao também tem usado manãtodos cla¡ssicos para estudar DTCs pré-termais. Surpreendentemente, as equipes de Berkeley e Cambridge abordaram simultaneamente a mesma questão. O grupo de Yao publicara¡ seus resultados em breve.