Os campos de beisebol curvilíneos têm coisas surpreendentes em comum com as partículas quânticas descritas em um novo estudo de física, embora o último voe muito mais estranhamente.

Na verdade, partículas emparelhadas ultracongeladas chamadas férmions devem se comportar de forma ainda mais estranha do que os físicos pensavam anteriormente, de acordo com físicos teóricos do Instituto de Tecnologia da Geórgia, que estudaram matematicamente seus padrões de voo. Já, partículas quânticas voadoras eram conhecidas por sua estranheza.

Para entender por que, comece com semelhanças com uma bola de beisebol e, em seguida, acrescente diferenças significativas.

Um arremessador dá spin, impulso, e energia para uma bola de beisebol ao lançar uma bola curva, uma mudança, ou um controle deslizante. Os voos engraçados dos férmions são igualmente esculpidos por giros, momento, e energias, mas também por poderosas excentricidades quânticas como emaranhamento, que Albert Einstein certa vez chamou de "ação fantasmagórica à distância" entre partículas quânticas.

No novo estudo, os pesquisadores até previram que as partículas podem agir como diferentes bolas quânticas chamadas bósons para imitar a maneira como os fótons, ou partículas de luz, voe. Uma explicação simplificada dessas partículas emparelhadas ultracold e seus voos estranhos está abaixo.

Modelagem de matéria leve

Todas essas influências se combinam para dar aos férmions um repertório de trajetórias muito mais estranho do que o de qualquer lançador mestre de beisebol, e o novo estudo mapeia e abre novas maneiras de observá-lo experimentalmente. A equipe da Georgia Tech adotou a abordagem incomum de adicionar ideias quânticas ópticas - ou semelhantes a luz - a seus cálculos preditivos dessas partículas de matéria e chegou ao ponto de levantar as sobrancelhas, resultados perspicazes.

"O comportamento das partículas que previmos é apenas esquizofrênico, "disse Uzi Landman, Professor de Regents e Institute e F.E. Callaway Endowed Chair na Georgia Tech's School of Physics.

Detalhes matemáticos e teóricos podem ser encontrados no estudo na revista. Revisão Física A , qual Landman, primeiro autor Benedikt Brandt, que é um assistente de pesquisa de pós-graduação, e o cientista sênior Constantine Yannouleas publicou em 4 de maio, 2018. Sua pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.

Férmions voadores explicados

O rastreamento de bolas curvas quânticas é contra-intuitivo por natureza com conceitos como férmions, bósons, rotaciona, emaranhado assustador, e dualidade partícula-onda. Então, vamos passo a passo para entendê-los e as percepções do estudo.

O jogo gira em torno de pares de férmions. Os férmions podem ser partículas subatômicas ou átomos inteiros. Nesse caso, os físicos modelados usando átomos.

O termo férmion refere-se a propriedades estatísticas quânticas que a partícula tem em oposição às propriedades de sua partícula homóloga chamada de bóson, em particular o spin da partícula, que é chamado de meio inteiro para férmions e inteiro completo para bósons. (Esses giros não são exatamente como os de uma bola. Para saber mais, veja:Fermions e Bosons for Dummies.)

"Fótons e bósons de Higgs são exemplos de bósons, "Landman disse." Os bósons são gregários:dois ou mais bósons podem compartilhar exatamente o mesmo espaço. Isso permite que muitos deles sejam sobrepostos uns aos outros no mesmo ponto minúsculo. "

"Fermions, por outro lado, são distantes. Eles reivindicam seu próprio espaço, e não o compartilhe com outras partículas. Os férmions podem ser empilhados, mas não ocupam o mesmo espaço. "

Elétrons, prótons, nêutrons, e alguns átomos são exemplos comuns de férmions.

Bolas de beisebol com pinça a laser

O estudo teórico prevê dois átomos fermiônicos começando cuidadosamente mantidos próximos um do outro por dois pares de "pinças" feitas de feixes de laser que se cruzam, como é realmente feito em experimentos de física aplicáveis. Na configuração teórica do estudo, lasers e campos magnéticos especiais também seriam usados ​​para desacelerar os férmions até quase pararem, tornando-os "ultracold" a 0,000000001 graus Kelvin, ou -273,15 graus Celsius (-459,67 graus Fahrenheit).

Isso é uma fatia acima do zero absoluto, a temperatura mais baixa possível no universo, e partículas desse frio fazem coisas estranhas.

"O movimento de uma partícula é geralmente frenético, mas o resfriamento o retarda quase até um ponto morto, "disse Landman, que também é diretor do Georgia Tech Center for Computational Materials Science. "E essas partículas também têm propriedades de onda, e nessa temperatura, o comprimento de onda aumenta enormemente. "

"As ondas atingem o tamanho de mícrons. Seria como uma pedra crescendo até um terço do tamanho deste país. Quando isso acontecer, o átomo realmente se torna visível sob um microscópio óptico. "

O tamanho inflado torna mais fácil para os pesquisadores saberem os locais de partida das duas partículas. Quando eles desligam as pinças de laser, os férmions voam para longe. As propriedades de onda das partículas também têm muito a ver com seus voos estranhos.

"Uma partícula em movimento agirá como um projétil em certas circunstâncias. Mas, em outras, vai se comportar como uma onda, "Landman disse." Nós o chamamos de dualidade do mundo quântico.

Juntos ou separados

"Se você configurar dois detectores em posições diferentes, mas à mesma distância do par de partículas, a frequência com que os dois voam para o mesmo detector ou a frequência com que voam para outros separados diz muito sobre essas partículas, "Landman disse." E é aí que entram nossas estranhas descobertas. "

Espera-se que os férmions voem de forma diferente dos bósons, mas o estudo dos físicos teóricos sobre os férmions revisa essa ideia. Dependendo do grau de emaranhamento quântico entre os dois férmions antes de serem liberados e dependendo de seu nível de energia, eles podem agir como férmions ou como bósons.

"Isso adiciona uma nova estranheza à já estabelecida dualidade de partícula-onda esquizofrênica, "Landman disse.

"Um par de fótons (que são bósons) voa para o mesmo lugar. Eles permanecem como um par, "Landman disse." Eles são animais sociais, e você os encontra em um detector ou ambos no outro. Chamamos esse fenômeno de 'agrupamento'. "

Trajetos de voo esquisitos

Freqüentemente, espera-se que os férmions façam o oposto, conhecido como anti-agrupamento, mas de acordo com o estudo, como eles voam depende se eles têm ou não interação assustadora e, se então, se a interação é atraente ou repulsiva.

"Se eles estão interagindo, e dependendo do nível de energia inicial, prevemos que eles podem fazer coisas estranhas quando voam, "Landman disse." Isso é novo.

"No nível de energia básico, chamado estado fundamental, nossos dois férmions que interagem com a repulsão ultraforte se comportam fermionicamente, o que significa que eles se evitam. Agora, se interagirem com forte atração, eles se agregam da mesma forma que os bósons, "Landman disse." Até agora, tudo conforme o esperado. "

Mas aumentando o nível de energia das partículas presas, ou excitação, por meio de um laser adicional ou campo magnético, pareceria aumentar a estranheza das partículas. Os níveis de excitação podem distorcer as regras de como as interações afetam o voo de um férmion, de acordo com o estudo teórico.

Por exemplo, o comportamento fermiônico mencionado acima, geralmente conectado com forte interação repulsiva, pode se tornar bosônico, de acordo com os cálculos dos físicos. Em outras palavras, as duas partículas voariam para o mesmo detector, como fazem os bósons.

Esquizofrenia quântica ordenada

"Por mais louco que pareça, parece haver uma forte confiabilidade nesses comportamentos que podem até ser manipulados de forma previsível e prática, "Landman disse.

Tal como acontece com um arremessador que acerta o caminho de um maluco, os físicos podem determinar o voo estranho de um férmion usando a formulação da mecânica quântica, simulação computacional avançada, e experimentação, o estudo disse.

"Parece que você pode até mesmo ser capaz de projetar o que essa estranheza quântica faz, "Landman disse." Se você conhece os estados das partículas de forma confiável, você pode ser capaz de usá-los como um recurso para cálculos quânticos e armazenamento e recuperação de informações. "