O fenômeno da metaestabilidade, em que um sistema está em um estado que é estável, mas não o de menos energia, é amplamente observada na natureza e na tecnologia. Ainda, muitos aspectos subjacentes aos mecanismos que governam o comportamento e a dinâmica de tais sistemas permanecem inexplorados. Os físicos da ETH Zurich já demonstraram uma plataforma promissora para estudar a metaestabilidade em um nível fundamental, usando um gás perfeitamente bem controlado que consiste em algumas dezenas de milhares de átomos.

Os exemplos incluem neve em uma encosta em repouso por dias antes de uma avalanche, ou ligações em macromoléculas que mudam dramaticamente após a ativação apropriada - tais sistemas residem por longos períodos de tempo em um estado antes de mudar rapidamente para outro mais energeticamente favorável. Vários aspectos da metaestabilidade são bem compreendidos, mas em particular, a dinâmica de comutação de um estado para outro permanece desconhecida, já que poucas ferramentas estão disponíveis para monitorar diretamente tais processos.

Lorenz Hruby e seus colegas do grupo de Tilman Esslinger no Institute for Quantum Electronics abordaram o problema em um nível muito fundamental, como relatam em um artigo publicado esta semana online no Proceedings of the National Academy of Sciences . Eles criaram estados metaestáveis ​​em um sistema quântico artificial de muitos corpos, um gás atômico cujas propriedades quânticas fundamentais são precisamente conhecidas e cujo comportamento podem controlar com alta precisão e flexibilidade. Nesse sistema, Hruby et al. observaram dois estados metaestáveis ​​caracterizados por como os átomos são ordenados, uma reminiscência de estruturas distintas que as macromoléculas podem adotar. Mais importante, eles monitoraram com sucesso em tempo real como o gás alternava entre esses dois estados. Eles descobriram que durante o processo de mudança, vários milhares de átomos se movem através do tunelamento quântico na escala de tempo em que as partículas individuais mudam de posição.

Como o gatilho para aquela "avalanche de túneis, "a equipe identificou processos na superfície do gás atômico. Comparando as observações experimentais com um modelo teórico, eles determinaram que a escala de tempo de comutação é definida pelas interações entre os próprios átomos, em vez de parâmetros de controle externos. Central para esse processo era a capacidade dos pesquisadores de deixar os átomos interagirem simultaneamente em distâncias curtas (átomo-átomo) e longas. Isso permite que as partículas se envolvam em uma interação intrincada que dá origem a propriedades intrigantes em uma ampla variedade de materiais e, ao mesmo tempo, para acoplar a superfície do sistema ao seu núcleo.

O estudo fornece insights fundamentais sobre estados metaestáveis ​​da matéria e sobre os processos de alternância entre esses estados. O alto grau de controle demonstrado nesses experimentos, junto com a possibilidade de comparar resultados experimentais com modelos teóricos, poderia fornecer uma plataforma versátil para estudar a dinâmica de estados metaestáveis ​​e processos relacionados com detalhes sem precedentes.