p Uma nova pesquisa conduzida na Universidade de Chicago confirmou uma teoria de décadas que descreve a dinâmica das transições de fase contínua. p As evidências, publicado na edição de 4 de novembro de Ciência , fornecer a primeira demonstração clara do mecanismo Kibble-Zurek para uma transição de fase quântica no espaço e no tempo. O Prof. Cheng Chin e sua equipe de físicos da UChicago observaram a transição em átomos de césio gasosos em temperaturas próximas do zero absoluto.

p Em uma transição de fase, matéria muda sua forma e propriedades como nas transições de sólido para líquido (por exemplo, gelo para água) ou de líquido para gás (por exemplo, água para vapor). Essas são conhecidas como transições de fase de primeira ordem.

p Uma transição de fase contínua, ou transição de segunda ordem, forma defeitos, como paredes de domínio, cordas e texturas cósmicas - onde parte da matéria fica presa entre regiões em estados distintos. O mecanismo Kibble-Zurek prevê como esses defeitos e estruturas complexas se formarão no espaço e no tempo quando um sistema físico passar por uma transição de fase contínua. Exemplos de transições de fase contínuas incluem a quebra espontânea de simetria no universo inicial e, no caso do experimento da equipe de Chin, uma transição de fase ferromagnética em átomos de césio gasosos.

p "Estudamos as transições de fase porque é uma das questões mais fundamentais que nos intrigam, "disse queixo, um co-autor do artigo. “Qual é a origem da complexa estrutura do universo, como surgem imperfeições e como materiais idênticos desenvolvem propriedades distintas ao longo do tempo? "

p Cosmologistas que estudam a origem, evolução, A estrutura e o futuro do universo também refletem as transições de fase no material porque isso informa sua compreensão do que ocorreu ao longo da história do universo - em particular durante sua formação.

p "O que aprendemos com o teste de KZM em nosso sistema não é sobre a origem do universo, "Chin disse." Em vez disso, é sobre como a estrutura complexa é desenvolvida através de uma transição. Estas são duas questões diferentes, mas relacionadas. Você pode perguntar:'De onde vem a neve?' ou 'Por que os flocos de neve têm uma bela estrutura de cristal?' Nossa investigação é mais na segunda questão. "

p As descobertas do experimento podem ser aplicadas a muitos sistemas, como cristais líquidos, hélio superfluido ou mesmo membranas celulares - que passam por transições de fase contínuas semelhantes. "Todos eles devem compartilhar a mesma simetria de escala de espaço-tempo que vimos aqui, "disse Logan Clark, um estudante de doutorado em física da UChicago e primeiro autor do artigo.

p No experimento, um vapor de átomos de césio foi resfriado usando feixes de laser, criando assim um gás de césio quântico. Feixes de laser adicionais foram usados ​​para criar uma rede óptica que alinhava os átomos do gás em padrões. As ondas sonoras foram usadas para sacudir a rede óptica e conduzir os átomos através de um contínuo, transição de fase quântica ferromagnética. Isso fez com que eles se dividissem em diferentes domínios com momentum positivo ou negativo. Os pesquisadores descobriram que a estrutura dos domínios resultantes era consistente com o que o mecanismo Kibble-Zurek teria previsto.

p "O gás quântico cruzando a transição de fase na rede óptica em nosso experimento é análogo a todo o universo primitivo cruzando uma transição de fase, "Clark disse." Qualquer sistema passando por uma transição de fase contínua deve compartilhar as propriedades que vimos em nosso experimento. "

p Os padrões que se formaram dependeram da rapidez com que a quantidade de agitação aumentou, disse Lei Feng, estudante de doutorado em física da UChicago e co-autor do artigo. "Quanto mais rápido o tremor aumentava, quanto menores os domínios. O momento dos átomos em diferentes regiões do fluido era visível através do microscópio, para que pudéssemos ver o tamanho dos domínios e contar o número de defeitos entre eles. "

p Erich Mueller, professor de física da Universidade Cornell que está familiarizado com a pesquisa, descreveu as descobertas como "uma demonstração notável da universalidade da física".

p “A mesma teoria que é usada para explicar a formação da estrutura no início do universo também explica a formação da estrutura nos gases frios”, usada em seus experimentos, disse Mueller, que não participaram do estudo.

p O trabalho contribui para a compreensão fundamental da física, Chin disse. "Enquanto os cosmologistas ainda procuram evidências do mecanismo Kibble-Zurek, nossa equipe realmente viu isso em nosso laboratório em amostras de átomos em temperaturas extremamente baixas.

p "Estamos no caminho certo para investigar outros fenômenos cosmológicos intrigantes, não só com um telescópio, mas também com um microscópio, "concluiu.