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    Observação em tempo real de modos quânticos coletivos

    No experimento ETH, átomos de rubídio foram acoplados às ondas de luz em dois ressonadores. No "sombrero energético" resultante desse acoplamento, Os modos Goldstone e Higgs (pontos e setas vermelhos) foram observados diretamente. Crédito:grupo Tilman Esslinger / ETH Zurique

    Uma haste cilíndrica é rotacionalmente simétrica - depois de qualquer rotação arbitrária em torno de seu eixo, ela sempre parece a mesma. Se uma força cada vez maior for aplicada a ele na direção longitudinal, Contudo, ele eventualmente se dobrará e perderá sua simetria rotacional. Esses processos, conhecido como "quebra espontânea de simetria", também ocorrem de maneiras sutis no mundo quântico microscópico, onde eles são responsáveis ​​por uma série de fenômenos fundamentais, como magnetismo e supercondutividade. Uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor da ETH Tilman Esslinger e pelo cientista sênior Tobias Donner, do Institute for Quantum Electronics, agora estudou as consequências da quebra espontânea de simetria em detalhes usando um simulador quântico. Os resultados de suas pesquisas foram publicados recentemente na revista científica Ciência .

    Transições de fase causadas por quebra de simetria

    Em seu novo trabalho, Esslinger e seus colaboradores tiveram um interesse particular nas transições de fase - processos físicos, isso é, em que as propriedades de um material mudam drasticamente, como a transição de um material de sólido para líquido ou a magnetização espontânea de um sólido. Em um tipo particular de transição de fase que é causada pela quebra espontânea de simetria, os chamados modos Higgs e Goldstone aparecem. Esses modos descrevem como as partículas de um material reagem coletivamente a uma perturbação externa. "Essas excitações coletivas só foram detectadas indiretamente até agora, "explica Julian Léonard, que obteve seu doutorado no laboratório de Esslinger agora trabalha como pós-doutorado na Universidade de Harvard, "mas agora conseguimos observar diretamente o caráter desses modos, que é ditado pela simetria. "

    Sombrero no simulador quântico

    Para aquele propósito, os físicos construíram um simulador quântico - um sistema de laboratório, isso é, em que fenômenos quânticos podem ser estudados em sua forma mais pura e sob condições controladas. O simulador quântico usado pelos pesquisadores da ETH consiste em átomos de rubídio extremamente frios que são expostos a várias ondas de luz. Usando dois ressonadores ópticos, é criado um acoplamento entre os átomos e as ondas de luz que faz com que a forma da energia potencial dos átomos de rubídio se pareça com uma tigela de salada rotacionalmente simétrica. As coordenadas da superfície de energia correspondem à intensidade da luz nos dois ressonadores. Um feixe de laser que cria uma chamada rede óptica pode então ser usado para alterar a superfície semelhante a uma tigela de salada de modo que, acima de uma força crítica do feixe de laser, começa a se assemelhar a um sombrero mexicano com uma protuberância no centro.

    Nessas circunstâncias, bem como no caso da haste cilíndrica, quebra espontânea de simetria ocorre:assim como a haste de repente se dobrou em uma direção espacial aleatória, os átomos no experimento de Esslinger, que começou no meio da saladeira, agora todos juntos procuram um novo mínimo de energia. Esse mínimo pode estar em qualquer lugar ao longo da ranhura do sombrero, pois cada ponto ao longo da ranhura tem a mesma energia. Isso também significa Contudo, que (energeticamente falando) os átomos podem ser movidos coletivamente ao longo do sulco sem qualquer entrada de energia - isso corresponde ao chamado modo Goldstone. Por contraste, se alguém quiser empurrá-los radialmente, longe do meio do sombrero ou em direção a ele, deve-se fornecer a energia necessária para este modo de Higgs. Novamente, isso pode ser comparado a uma haste deformada, que é fácil de girar, mas difícil de dobrar mais.

    Modos de medição em tempo real

    "Normalmente, Os modos Goldstone e Higgs são detectados indiretamente por meio dessa energia ", diz Andrea Morales, um aluno de doutorado e membro da equipe de pesquisa, “mas agora pudemos estudar em tempo real como esses modos se comportam quando o sistema é perturbado”. Para fazer isso, os pesquisadores enviaram um curto pulso de laser para um dos ressonadores ópticos e mediram a intensidade da luz em ambos os ressonadores em função do tempo. Isso permitiu que eles calculassem a posição dos átomos dentro do sombrero de energia. Como esperado, depois de excitar um modo Goldstone, apenas a coordenada angular ao longo da ranhura mudou, ao passo que no modo Higgs era a posição radial que variava.

    Para Tilman Esslinger, esta observação direta de um fenômeno importante e generalizado de muitos corpos - que até agora só poderia ser observado indiretamente - representa um dos pontos fortes essenciais do simulador quântico:"Nesses sistemas quânticos sintéticos, temos uma realização bastante ideal do que ocorre na natureza - em sólidos e também em moléculas individuais. A observação direta da dinâmica dos modos Goldstone e Higgs no simulador quântico aprofunda nossa compreensão do que acontece em tais sistemas naturais. "

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