Ondas solitárias - conhecidas como solitons - aparecem em muitas formas. Talvez o mais reconhecível seja o tsunami, que se forma após uma perturbação no fundo do oceano e pode viajar, inabalável, em altas velocidades por centenas de quilômetros.

Por definição, um soliton mantém sua forma enquanto se propaga a uma velocidade constante. Mas o que acontece quando dois, ou mais, solitons interagem? O consenso geral de estudos anteriores é que os solitons são essencialmente inalterados por tal interação e passam um através do outro, mas o professor de física Erich Mueller e o estudante de graduação Shovan Dutta contestaram essa noção em um relatório recém-publicado em Cartas de revisão física .

Seu papel, "Modos coletivos de um trem Soliton em um Superfluido Fermi, "foi publicado em 29 de junho. Ambos trabalham no Laboratório de Física Atômica e de Estado Sólido de Cornell.

A equipe encontrou algo drasticamente diferente para os solitons interagindo em um superfluido, que se forma quando um gás de átomos é resfriado a quase zero absoluto. Não apenas os solitons afetam uns aos outros, mas eles podem até colidir e destruir uns aos outros.

Experimentos recentes criaram solitons de longa vida em um superfluido. Dutta e Mueller teoricamente examinaram as interações dentro de uma grande variedade de solitons em um superfluido, como o lítio-6. Para sua surpresa, Mueller e Dutta descobriram uma instabilidade em que pares de solitons colidem e se aniquilam. Eles também encontraram uma variedade de novas oscilações coletivas dos solitons.

A taxa de instabilidade é sensível à separação de solitons e à interação entre átomos, ambos podem ser ajustados em experimentos. Além disso, eles descobriram que a instabilidade poderia ser evitada magnetizando o gás - formando um estado quântico exótico discutido pela primeira vez na década de 1960 no contexto de supercondutores com impurezas magnéticas.

Dutta e Mueller começaram este trabalho buscando a supersimetria na física da matéria condensada; em física de partículas, a teoria da supersimetria relaciona as duas classes básicas de partículas elementares - bósons e férmions - e afirma que para cada partícula de um grupo, existe um "superparceiro" do outro.

"Uma direção em que estávamos correndo, "Mueller disse, "foi que pensamos que tínhamos uma maneira de ver explicitamente essa simetria [na matéria condensada]."

Descobriu-se que não existia, Mueller disse, mas o que ele e Dutta descobriram formou a base de seu artigo. Ao comparar as excitações bosônicas e fermiônicas do superfluido, eles examinaram o movimento coletivo de uma série de solitons e descobriram que as ondas - que eram formadas essencialmente em uma dimensão - assumiam vários movimentos coletivos. Alguns deles eram esperados, mas outros, incluindo a instabilidade, não estivessem.

Eles também descobriram que a instabilidade poderia ser superada pela magnetização, o que efetivamente forma um desequilíbrio, fase superfluida espacialmente modulada - conhecida como estado FFLO - que foi discutida em termos teóricos há 50 anos, mas nunca realizada diretamente em experimentos. Isso abre a porta, Dutta disse, para estudar mais em novos estados quânticos e áreas relacionadas, como a supercondutividade exótica.

"Tem sido um desafio de longa data para uma grande comunidade de pessoas, para criar este estado quântico, " ele disse, "e nossas descobertas mostram que é possível projetá-lo diretamente em gases atômicos frios."

Mueller e Dutta enviaram um artigo relacionado em seu protocolo para a engenharia direta deste novo estado quântico. Seu trabalho amplia nossa compreensão da dinâmica de não-equilíbrio de sistemas quânticos de muitos corpos.

"Se você pode estabelecer os elementos básicos da dinâmica para este sistema, que pode ser visto como um protótipo para sistemas mais complicados, então isso dá a você alguma compreensão de como o mundo quântico funciona, "Dutta acrescentou.