Físicos que trabalham com átomos ultrafrios de césio relataram um estado quântico exótico que chamam de “mar de Fermi fracionário”, uma configuração que parece preservar uma forma inesperada de ordem mesmo depois que o sistema é levado para longe das condições normalmente associadas a um mar de Fermi convencional.
O trabalho, descrito como publicado na Physical Review Letters, vem de uma equipe experimental liderada por Hanns-Christoph Nägerl, da Universidade de Innsbruck, e de um trabalho teórico de Alvise Bastianello, do CNRS e da Université Paris-Dauphine. Ele trata de uma questão básica da física quântica: o que acontece quando pesquisadores empurram deliberadamente sistemas de muitas partículas para além das configurações de baixa energia que as teorias conhecidas descrevem com mais facilidade?
Mudar as interações, não simplesmente aquecer um gás
Em temperaturas suficientemente baixas, férmions preenchem estados quânticos de acordo com regras baseadas no princípio de exclusão de Pauli. Elétrons são férmions, assim como muitos átomos nas condições adequadas. A incapacidade de ocupar o mesmo estado quântico idêntico gera o padrão de ocupação característico conhecido como mar de Fermi.
O experimento não consiste simplesmente em aquecer um gás atômico e observar a desordem resultante. Em vez disso, os pesquisadores mudam repetidamente a interação entre átomos ultrafrios de césio, alternando entre regimes fortemente repulsivos e fortemente atrativos. Essa condução controlada leva os átomos a um estado altamente excitado, no qual uma expectativa simples seria que as correlações se embaralhassem e o sistema perdesse a estrutura reconhecível de um mar de Fermi.
Segundo o relato fornecido sobre a pesquisa, não foi isso que a equipe encontrou. Os átomos se reorganizaram em uma configuração incomum com uma ordem oculta, apesar da energia extrema injetada pelas mudanças repetidas na intensidade da interação. Os pesquisadores chamam essa configuração de mar de Fermi fracionário.
Por que o resultado é importante
Sistemas quânticos de muitos corpos são difíceis de descrever porque cada partícula segue regras quânticas e influencia todas as outras por meio de interações. Os modelos costumam ser mais fáceis de tratar perto do equilíbrio, quando o sistema se acomodou em uma configuração estável ou de baixa energia. Sistemas fortemente impulsionados são mais desafiadores: podem desenvolver correlações que não são aleatórias, mas também não são facilmente capturadas pelas descrições padrão de equilíbrio.
O mar de Fermi fracionário é notável porque sugere que um estado organizado pode sobreviver nesse território desconhecido. A fonte fornecida caracteriza a observação como um desafio às teorias quânticas estabelecidas e afirma que os resultados teóricos forneceram uma base para o trabalho experimental. Isso não estabelece, por si só, uma nova tecnologia nem substitui a teoria padrão dos férmions. Mas oferece aos pesquisadores um novo ambiente experimental para testar como ordem, interações e excitação podem coexistir.
O resultado também mostra por que experimentos com átomos ultrafrios são valiosos. Ao resfriar átomos e ajustar suas interações, físicos podem construir análogos cuidadosamente controlados de sistemas quânticos complexos. Em vez de depender apenas de materiais naturais, podem alterar um parâmetro, repetir uma sequência e comparar o resultado com a teoria. Nesse experimento, átomos de césio se tornaram uma plataforma para investigar um estado difícil de isolar em um sólido comum.
Uma forma diferente de pensar sobre um mar de Fermi
Chamar o estado de “fracionário” indica que ele difere da imagem conhecida de férmions preenchendo gradualmente os níveis de energia disponíveis. A fonte descreve o comportamento como algo fora dos sistemas quânticos tradicionalmente estudados e menciona quasipartículas exóticas que os pesquisadores provisoriamente apelidaram de possíveis “superférmions”.
Quasipartículas não são necessariamente novas partículas elementares. Elas são descrições úteis do comportamento coletivo dentro de um material ou sistema de muitos corpos. Uma perturbação que se move por um sólido, por exemplo, pode se comportar em alguns aspectos como uma partícula, embora seja formada pelo movimento coordenado de muitos componentes. A linguagem de possíveis quasipartículas aqui descreve o estado coletivo dos átomos impulsionados, não uma descoberta de um novo componente fundamental da natureza.
Essa distinção importa. O valor imediato do estudo é científico: ele amplia o conjunto de estados quânticos que podem ser preparados e examinados em condições controladas. Serão necessárias teorias e experiências futuras para determinar a robustez do estado, quais medições melhor caracterizam sua ordem e se fenômenos relacionados podem ser criados com outros átomos ou protocolos de condução diferentes.
O que vem a seguir
A pesquisa aponta para um esforço mais amplo de compreender a matéria quântica fora do equilíbrio. Se os sistemas puderem conservar uma estrutura oculta enquanto são continuamente levados por regimes de interação radicalmente diferentes, os físicos talvez tenham um conjunto de estados mais amplo para investigar do que sugere a intuição baseada em baixa energia.
Por enquanto, a principal descoberta é mais específica, mas impressionante: alternar repetidamente átomos ultrafrios de césio entre atração e repulsão não apagou simplesmente sua organização. No experimento relatado, isso levou a um estado altamente excitado com uma estrutura quântica incomum e ordenada. Isso faz do mar de Fermi fracionário um novo alvo útil para medições experimentais e explicações teóricas.
Este artigo baseia-se em reportagem do Science Daily. Leia o artigo original.
Originally published on sciencedaily.com
