Figura 1:Perfil de densidade de dois componentes do superfluido que se misturam (à esquerda) ou não (à direita). Em um superfluido rotativo com dois componentes que são miscíveis, ou misturável, a matéria será distribuída uniformemente dentro do recipiente em forma de donut. Este é o mesmo perfil de densidade visto em uma rotação, superfluido de componente único. Quando os dois componentes são imiscíveis, ou não misturável, eles se separarão um do outro e formarão dois grupos de semicírculos em lados opostos. Crédito:Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa
O mundo quântico é elegante e misterioso. É uma esfera de existência onde as leis da física experimentadas na vida cotidiana são quebradas - as partículas podem existir em dois lugares ao mesmo tempo, eles podem reagir um ao outro a grandes distâncias, e eles próprios parecem confusos sobre se são partículas ou ondas. Para aqueles que não estão envolvidos na área, este mundo pode parecer insignificante, mas recentemente, pesquisadores da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) descreveram teoricamente dois estados quânticos extraordinários tanto na física que os define quanto em seu apelo visual:um sistema quântico complexo que simula a física clássica e um estado semelhante a um colar fascinante . Seu estudo foi publicado na revista Revisão Física A .
A busca por esses estados começa com um donut, ou melhor, um recipiente em forma de donut que aloja um superfluido rotativo. Este superfluido, que é um fluido que se move sem atrito, é feito de condensados de Bose-Einstein (BECs) compreendendo partículas sem carga que são resfriadas a quase zero graus Kelvin, uma temperatura tão fria, que não existe no universo fora dos laboratórios. Nesta temperatura, partículas começam a exibir propriedades estranhas - elas se agrupam, e eventualmente se tornam indistinguíveis um do outro. Com efeito, eles se tornam uma única entidade e, portanto, movem-se como um.
Uma vez que este superfluido BEC giratório está operando em uma escala quântica, onde reinam pequenas distâncias e baixas temperaturas, as características físicas de sua rotação não são as vistas no mundo clássico. Considere um pai que está balançando a filha em um círculo pelos braços. A física clássica determina que as pernas da criança se movam mais rápido do que suas mãos ao redor do círculo, já que suas pernas devem viajar mais para fazer uma volta completa.
No mundo da física quântica, a relação é oposta. "Em um superfluido ... coisas que estão muito longe [do centro] se movem muito devagar, enquanto as coisas [que] estão perto do centro se movem muito rápido, "explica o professor Thomas Busch da OIST, um dos pesquisadores envolvidos no estudo. Isso é o que está acontecendo no donut superfluido.
Além disso, o superfluido dentro do donut mostra um perfil de densidade uniforme, o que significa que é distribuído uniformemente em torno do donut. Isso seria o mesmo para a maioria dos líquidos que estão girando por meio de regras clássicas ou quânticas. Mas o que acontece se outro tipo de BEC for adicionado, um que é feito de uma espécie atômica diferente e que não pode se misturar com o BEC original? Como óleo e água, os dois componentes se separarão de forma a minimizar a área em que se tocam e formar dois semicírculos em lados opostos do recipiente do donut.
Figura 2:Diferentes versões do colar quântico ultracold. O número de pérolas no colar quântico depende da força do acoplamento spin-órbita. Um acoplamento mais forte produz mais pérolas, e o número deve ser sempre ímpar.
"O limite mais curto [entre os componentes] está na direção radial, "Dra. Angela White, primeiro autor do estudo, explica. Os dois componentes se separam em metades diferentes do donut ao longo deste limite, que é criado passando pelo raio da noz de massa. Nesta configuração, eles usarão menos energia para permanecer separados do que fariam por meio de qualquer outro.
No imiscível, ou não misturável, configuração mostrada na Figura 1, o mundo quântico surpreende. Uma vez que o limite entre os dois superfluidos deve permanecer alinhado ao longo da direção radial, o superfluido presente neste limite deve girar como um objeto clássico. Isso acontece para manter esse estado de baixa energia. Se no limite os superfluidos continuassem a girar mais rápido no interior, então os dois semicírculos começariam a se torcer, alongando a linha que os separa, e, portanto, exigindo mais energia para permanecer separado. O resultado é uma espécie de mimetismo da física clássica, onde o sistema parece saltar para o reino clássico, facilitado pelo complexo comportamento da mecânica quântica.
Nesta fase, o donut superfluido atingiu seu primeiro estado extraordinário que imita a rotação clássica. Mas há mais uma etapa necessária para transformar esse sistema já incompreensível no objetivo final do colar:o acoplamento spin-órbita.
“De uma forma muito abstrata, [spin é] apenas algo que tem dois estados possíveis, "Busch explica." Pode ser assim ou pode ser assim. "Para este experimento, que envolve partículas sem carga, ou sem giro, os pesquisadores "falsificaram" um giro atribuindo uma propriedade "isto ou aquilo" às suas partículas.
Ao acoplar as partículas com base nesta propriedade, os dois semicírculos dentro do donut se quebram em várias partes alternadas, formando assim a configuração do colar (Figura 2). Ao aprofundar sua composição, os pesquisadores descobriram que o número de "pérolas" no colar depende da força do acoplamento spin-órbita e, mais surpreendentemente, que sempre deve haver um número ímpar dessas pérolas.
Os pesquisadores previram colares quânticos antes, mas eles eram conhecidos por serem instáveis - expandindo-se ou dissipando-se ao esquecimento apenas pouco tempo depois de serem criados. Neste modelo teórico, os pesquisadores do OIST acreditam ter encontrado uma maneira de criar um colar estável, um que permitiria mais tempo para estudá-lo e apreciar sua majestade refinada.
