• Home
  • Química
  • Astronomia
  • Energia
  • Natureza
  • Biologia
  • Física
  • Eletrônicos
  •  science >> Ciência >  >> Física
    Gases quânticos não suportam o calor

    Equipamento da Universidade da Califórnia, Santa Barbra para a criação e manipulação de gases quânticos. Ele está sendo usado para investigar a localização dinâmica de átomos interagindo, que está relacionado a novos trabalhos de pesquisadores do JQI. (Crédito:Tony Mastres, UCSB)

    O mundo quântico desafia descaradamente as intuições que desenvolvemos enquanto vivíamos entre coisas relativamente grandes, como carros, moedas de um centavo e partículas de poeira. No mundo quântico, partículas minúsculas podem manter uma conexão especial em qualquer distância, passar por barreiras e, simultaneamente, viajar por vários caminhos.

    Um comportamento quântico menos conhecido é a localização dinâmica, um fenômeno no qual um objeto quântico permanece na mesma temperatura, apesar de um fornecimento constante de energia - contrariando a suposição de que um objeto frio sempre roubará calor de um objeto mais quente.

    Essa suposição é um dos pilares da termodinâmica - o estudo de como o calor se move. O fato de a localização dinâmica desafiar esse princípio significa que algo incomum está acontecendo no mundo quântico - e que a localização dinâmica pode ser uma excelente prova de onde termina o domínio quântico e começa a física tradicional. Compreender como os sistemas quânticos se mantêm, ou deixar de manter, o comportamento quântico é essencial não apenas para nossa compreensão do universo, mas também para o desenvolvimento prático das tecnologias quânticas.

    "Em algum ponto, a descrição quântica do mundo tem que mudar para a descrição clássica que vemos, e acredita-se que isso acontece por meio de interações, "diz o pesquisador de pós-doutorado do JQI Colin Rylands.

    Até agora, localização dinâmica só foi observada para objetos quânticos únicos, o que o impediu de contribuir para as tentativas de identificar onde ocorre a mudança. Para explorar este problema, Rylands, junto com o bolsista da JQI, Victor Galitski e outros colegas, investigou modelos matemáticos para ver se a localização dinâmica ainda pode surgir quando muitas partículas quânticas interagem. Para revelar a física, eles tiveram que criar modelos para atender a várias temperaturas, intensidades de interação e durações de tempo. Os resultados da equipe, publicado em Cartas de revisão física , sugerem que a localização dinâmica pode ocorrer mesmo quando fortes interações fazem parte do quadro.

    "Este resultado é um exemplo de onde uma única partícula quântica se comporta de maneira completamente diferente de uma partícula clássica, e então, mesmo com a adição de fortes interações, o comportamento ainda se assemelha ao da partícula quântica ao invés do clássico, "diz Rylands, quem é o primeiro autor do artigo.

    Um Quantum Merry-Go-Round

    O resultado estende a localização dinâmica além de suas origens de partícula única, no regime de muitas partículas em interação. Mas, para visualizar o efeito, ainda é útil começar com uma única partícula. Muitas vezes, essa única partícula é discutida em termos de um rotor, que você pode imaginar como um carrossel de playground (ou qualquer outra coisa que gira em um círculo). A energia de um rotor (e sua temperatura) está diretamente relacionada à velocidade com que ele gira. E um rotor com suprimento constante de energia - que recebe um "chute" regular - é uma maneira conveniente de visualizar as diferenças no fluxo de energia na física quântica e clássica.

    Por exemplo, imagine Hércules batendo incansavelmente em um carrossel. A maioria de seus golpes vai acelerar, mas, ocasionalmente, um toque de deslize não dá certo e fica lento. Sob essas condições (imaginárias), um carrossel normal giraria cada vez mais rápido, acumulando mais e mais energia até que as vibrações finalmente abalem a coisa toda. Isso representa como um rotor normal, em teoria, pode aquecer para sempre sem atingir um limite de energia.

    No mundo quântico, as coisas acontecem de forma diferente. Para um carrossel quântico, cada golpe não simplesmente aumenta ou diminui a velocidade. Em vez de, cada golpe produz uma superposição quântica em diferentes velocidades, representando a chance de encontrar o rotor girando em taxas diferentes. Só depois de fazer uma medição é que uma determinada velocidade emerge da superposição quântica causada pelos chutes anteriores.

    Pesquisa anterior, teórico e experimental, mostrou que, a princípio, um rotor quântico não se comporta de maneira muito diferente de um rotor normal por causa dessa distinção - em média, um carrossel quântico também terá mais energia depois de experimentar mais chutes. Mas uma vez que um rotor quântico foi chutado o suficiente, sua velocidade tende a se estabilizar. Depois de um certo ponto, o esforço persistente de nosso Hércules quântico falha em aumentar a energia do carrossel quântico (em média).

    Esse comportamento é conceitualmente semelhante a outro fenômeno quântico que desafia a termodinâmica, denominado localização de Anderson. Philip Anderson, um dos fundadores da física da matéria condensada, ganhou o Prêmio Nobel pela descoberta do fenômeno. Ele e seus colegas explicaram como uma partícula quântica, como um elétron, pode ficar preso, apesar das muitas oportunidades aparentes de se mover. Eles explicaram que imperfeições no arranjo dos átomos em um sólido podem levar a interferência quântica entre os caminhos disponíveis para uma partícula quântica, mudando a probabilidade de tomar cada caminho. Na localização do Anderson, a chance de estar em qualquer caminho torna-se quase zero, deixando a partícula presa no lugar.

    A localização dinâmica se parece muito com a localização de Anderson, mas em vez de ficar presa em uma posição específica, a energia de uma partícula fica presa. Como um objeto quântico, a energia de um rotor e, portanto, a velocidade são restritas a um conjunto de valores quantizados. Esses valores formam uma grade abstrata ou rede semelhante à localização dos átomos em um sólido e podem produzir uma interferência entre os estados de energia semelhante à interferência entre os caminhos no espaço físico. As probabilidades das diferentes energias possíveis, em vez dos caminhos possíveis de uma partícula, interferir, e a energia e a velocidade ficam presas perto de um único valor, apesar dos chutes em curso.

    Explorando um Novo Parque Quântico

    Embora a localização de Anderson fornecesse aos pesquisadores uma perspectiva para entender um único rotor quântico chutado, deixou alguma ambigüidade sobre o que acontece com muitos rotores em interação que podem lançar energia para frente e para trás. Uma expectativa comum era que as interações extras permitiriam o aquecimento normal ao perturbar o equilíbrio quântico que limita o aumento de energia.

    Galitski e seus colegas identificaram um sistema unidimensional onde pensaram que a expectativa pode não ser verdadeira. Eles escolheram um gás Bose interativo unidimensional como seu playground. Em um gás Bose, partículas que se movem para frente e para trás ao longo de uma linha desempenham o papel dos rotores girando no lugar. Os átomos de gás seguem os mesmos princípios básicos dos rotores chutados, mas são mais práticos de se trabalhar em laboratório. Nos laboratórios, lasers podem ser usados ​​para conter o gás e também para resfriar os átomos do gás até uma temperatura baixa, que é essencial para garantir um comportamento quântico forte.

    Uma vez que a equipe selecionou este playground, eles exploraram modelos matemáticos de muitos átomos de gás em interação. Explorando o gás em uma variedade de temperaturas, as forças de interação e o número de chutes exigiam que a equipe alternasse entre várias técnicas matemáticas diferentes para obter uma imagem completa. No final, seus resultados combinaram para sugerir que quando um gás com fortes interações começa perto da temperatura zero, ele pode experimentar localização dinâmica. A equipe chamou esse fenômeno de "localização dinâmica de muitos corpos".

    "Esses resultados têm implicações importantes e fundamentalmente demonstram nossa compreensão incompleta desses sistemas, "diz Robert Konik, co-autor do artigo e físico do Brookhaven National Lab. "Eles também contêm a semente de possíveis aplicações porque os sistemas que não aceitam energia devem ser menos sensíveis aos efeitos da decoerência quântica e, portanto, podem ser úteis para fazer computadores quânticos."

    Suporte Experimental

    Claro, uma explicação teórica é apenas metade do quebra-cabeça; a confirmação experimental é essencial para saber se uma teoria está em terreno sólido. Felizmente, um experimento na costa oposta dos EUA vem perseguindo o mesmo tópico. As conversas com Galitski inspiraram David Weld, professor associado de física da Universidade da Califórnia, Santa Barbra, para usar a experiência experimental de sua equipe para sondar a localização dinâmica de muitos corpos.

    "Normalmente não é fácil convencer um experimentalista a fazer um experimento baseado na teoria, "diz Galitski." Este caso foi meio fortuito, que David já tinha quase tudo pronto para começar. "

    A equipe de Weld está usando um gás quântico de átomos de lítio que é confinado por lasers para criar um experimento semelhante ao modelo teórico desenvolvido pela equipe de Galitski. (A principal diferença é que no experimento os átomos se movem em três dimensões em vez de apenas uma.)

    No experimento, Weld e sua equipe chutam os átomos centenas de vezes usando pulsos de laser e observam repetidamente seu destino. Para diferentes execuções do experimento, eles ajustaram a força de interação dos átomos para diferentes valores.

    "É bom porque podemos ir para um regime de não interação perfeitamente, e isso é algo que é muito fácil de calcular o comportamento, "diz Weld." E então podemos continuamente aumentar a interação e passar para um regime que é mais parecido com o que Victor e seus colegas de trabalho estão falando neste último artigo. E observamos a localização, mesmo na presença das interações mais fortes que podemos adicionar ao sistema. Isso foi uma surpresa para mim. "

    Seus resultados preliminares confirmam a previsão de que a localização dinâmica de muitos corpos pode ocorrer mesmo quando fortes interações fazem parte da imagem. Isso abre novas oportunidades para os pesquisadores tentarem definir a fronteira entre o mundo quântico e o clássico.

    "É bom poder mostrar algo que as pessoas não esperavam e também ser experimentalmente relevante, "diz Rylands.


    © Ciência https://pt.scienceaq.com