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    Sistemas quânticos:o mesmo, Mas diferente

    O chip Atom na TU Wien (Viena). Crédito:TU Wien

    Regras notáveis ​​foram detectadas no caos aparente dos processos de desequilíbrio. Diferentes sistemas se comportam de forma idêntica de muitas maneiras, se pertencem à mesma "classe de universalidade". Isso significa que os experimentos podem ser realizados com sistemas quânticos fáceis de manusear para obter informações precisas sobre os sistemas que não podem ser estudados diretamente no experimento - como o Big Bang.

    Alguns fenômenos são tão complicados que é impossível calculá-los com precisão. Isso inclui grandes sistemas quânticos, que consistem em muitas partículas, particularmente quando eles não estão em um estado de equilíbrio, mas mudando rapidamente. Tais exemplos incluem o inferno de partículas selvagens que ocorre em aceleradores de partículas quando grandes átomos colidem, ou condições logo após o Big Bang, quando as partículas se expandiram rapidamente e depois resfriaram.

    Na TU Wien e na Universidade de Heidelberg, regras notáveis ​​foram detectadas no caos aparente dos processos de desequilíbrio. Isso indica que tais processos podem ser divididos em classes de universalidade. Os sistemas pertencentes à mesma classe se comportam de maneira idêntica de várias maneiras. Isso significa que experimentos podem ser realizados com sistemas quânticos de fácil manuseio para se obter informações precisas sobre outros sistemas que não podem ser estudados diretamente no experimento. Essas descobertas foram publicadas na revista. Natureza .

    Regras universais

    "As aulas de universalidade são conhecidas de outras áreas da física, "diz o Prof. Jörg Schmiedmayer do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien." Quando você estuda as transições de fase, por exemplo, materiais muito próximos do ponto de fusão, você pode descrever certas propriedades usando fórmulas que são muito universais, como a relação entre o calor específico e a temperatura. "Os detalhes microscópicos do processo de fusão não importam. Materiais muito diferentes podem obedecer às mesmas equações simples.

    "No entanto, é totalmente surpreendente que a universalidade desse tipo também possa ser encontrada em sistemas quânticos que estão muito distantes de um estado de equilíbrio, "diz Jörg Schmiedmayer." À primeira vista, você não esperaria isso:por que um sistema quântico composto de muitas partículas que estão mudando extremamente rapidamente obedeceria a quaisquer leis universais? " o trabalho teórico dos grupos de Jürgen Berges e Thomas Gasenzer da Universidade de Heidelberg previu exatamente isso. Essas previsões notáveis ​​agora foram verificadas duas vezes ao mesmo tempo - na TU Wien e em Heidelberg.

    Close do Atom Chip. Crédito:TU Wien

    A direção rápida e lenta

    O experimento no grupo do Prof. Schmiedmayer no Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Viena (VCQ) no Instituto de Física Atômica e Subatômica (TU Wien) está usando uma armadilha atômica muito especial. Em um chip de átomo, milhares de átomos de rubídio podem ser capturados e resfriados usando campos eletromagnéticos. "Nesse processo, geramos uma nuvem de átomos com uma direção curta e uma longa, semelhante a um charuto, "explica Sebastian Erne, o principal autor do estudo.

    Inicialmente, os átomos se movem em todas as direções na mesma velocidade. A armadilha atômica pode, Contudo, ser aberto nas direções curtas (transversais), o que significa que os átomos que estão se movendo particularmente rápido nessa direção voam para longe. Isso deixa para trás apenas átomos que têm uma velocidade relativamente baixa nas direções transversais.

    "A distribuição de velocidade em uma direção é alterada tão rapidamente que, durante esse tempo, a distribuição de velocidade na outra direção, ao longo do eixo maior do charuto, virtualmente não muda nada, "diz Sebastian Erne." Como resultado, produzimos um estado que está longe do equilíbrio térmico. "Colisões e interações levam à troca de energia entre os átomos, que é referido como termalização.

    “A nossa experiência demonstra que o curso desta termalização segue uma lei universal e não depende de quaisquer detalhes, "diz Jörg Schmiedmayer." Independentemente de como começamos a termalização, a transição sempre pode ser descrita com a mesma fórmula. "

    Foi uma história semelhante para a equipe de pesquisa de Heidelberg. Ali também, eles começaram com uma nuvem de átomos alongada. Contudo, a equipe de Heidelberg não estudou a velocidade, mas o spin (o momento angular intrínseco) das partículas. Eles primeiro controlaram as direções de spin dos átomos e, em seguida, observaram como essas direções mudam ao longo do tempo devido às interações entre os átomos.

    Essa mudança pode ser descrita usando as mesmas fórmulas do outro experimento:"No nosso caso, a situação física é bastante diferente daquela do experimento da TU Wien, mas a dinâmica também obedece a leis universais de escala, "explica Maximilian Prüfer (Heidelberg), primeiro autor da publicação Heidelberg.

    "Encontramos um processo que também obedece à universalidade, mas pertence a uma classe de universalidade diferente. Isso é ótimo porque confirma nossas teorias de forma muito convincente e sugere que realmente estamos no caminho certo - um novo, Lei fundamental, "diz Markus Oberthaler (também Heidelberg).

    Aprendendo com um sistema sobre outros

    A universalidade aumenta a possibilidade de obter informações importantes sobre sistemas quânticos que geralmente são inacessíveis em um laboratório. "Ninguém pode recriar o Big Bang em um laboratório, mas se sabemos a classe de universalidade a que pertence, podemos olhar para outros sistemas quânticos da mesma classe e indiretamente investigar propriedades universais durante o Big Bang, "explica Schmiedmayer." Compreender melhor o comportamento de sistemas quânticos de muitas partículas que estão longe do equilíbrio é uma das questões mais urgentes na física hoje. Mesmo com os melhores supercomputadores, não há chance de calcular precisamente esses eventos, e assim nossas aulas de universalidade são uma grande oportunidade de aprender algo novo. "

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