Monika Aidelsburger usa um tipo especial de rede óptica para simular fenômenos quânticos de muitos corpos que de outra forma seriam inacessíveis à exploração experimental. Ela agora foi premiada com uma bolsa inicial ERC para prosseguir este trabalho.

Na última década, pesquisadores liderados pelo professor Immanuel Bloch, que detém uma cadeira em Física Experimental na LMU, desenvolveram várias técnicas e estratégias para sondar os segredos do mundo quântico. Muito progresso foi feito, mas muitos fenômenos de interesse permanecem inexplorados, e esquemas teóricos são freqüentemente difíceis de testar. A equipe de Bloch está principalmente interessada em interações quânticas que podem ser modeladas usando gases ultracold aprisionados em redes ópticas formadas por feixes de laser. Dra. Monika Aidelsburger, líder de um grupo de pesquisa no departamento de Bloch, recebeu agora uma subvenção inicial altamente dotada do Conselho Europeu de Investigação (ERC) para alargar esta linha de trabalho. Seu objetivo é usar átomos de itérbio ultracold aprisionados em redes ópticas para simular modelos de comportamento quântico em matéria condensada em uma escala que é três ordens de magnitude maior do que em sólidos reais.

De fato, Aidelsburger, que também faz parte do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, espera levar esta estratégia mais longe, e usá-lo para simular 'teorias de calibre de rede', que descreve as interações fundamentais entre as partículas em termos de 'campos de calibre'. Nestes modelos, campos de matéria (partículas de substância) são representados como pontos em uma rede fictícia, e os campos de força que atuam sobre eles são representados pelas ligações entre esses nós. As teorias de calibre reticulado são de importância fundamental em muitos ramos da física quântica. Não apenas eles formam a base para o Modelo Padrão da física de partículas, eles também podem ser aplicados à física que fundamenta o comportamento de elétrons que interagem fortemente em sólidos, e pode ser responsável por fenômenos importantes na eletrodinâmica quântica. Portanto, A abordagem experimental de Aidelsburger para simular teorias de calibre de rede em redes ópticas forneceria uma ligação entre a física clássica e quântica, e permitir simulações análogas de fenômenos observados em configurações diferentes da física do estado sólido. A pesquisa de Aidelsburger até agora se concentrou na simulação dos efeitos dos campos magnéticos. "Isso ocorre porque os campos magnéticos também podem ser descritos em termos de campos de medição, "ela explica. Os físicos esperam estender essas idéias e aplicá-las a outros fenômenos quânticos de muitos corpos que permaneceram amplamente inacessíveis.

Dois estados de longa vida

A plataforma experimental está sendo projetada e em breve as mesas ópticas do laboratório de Aidelsburger serão equipadas com lentes e espelhos cuidadosamente posicionados, lasers e fibras ópticas. Manipulações controladas de átomos ultracold em redes ópticas já foram usadas com sucesso para sondar e simular fenômenos quânticos que foram observados em sistemas de matéria condensada. Esses experimentos foram realizados em condições em que os átomos podem "criar um túnel" entre os locais da rede, embora seus movimentos coletivos sejam influenciados pelos parâmetros globais das redes. A extensão da estratégia às teorias de calibre de rede exigirá controle específico do local sobre os movimentos dos átomos na rede.

A configuração de tal experimento é extremamente exigente, porque as simetrias inerentes às teorias de calibre devem ser reproduzidas com precisão. "Uma implementação bem-sucedida exige o uso de abordagens completamente novas, "diz Aidelsburger." Isso traz um alto risco, mas ter um simulador quântico funcional de tal modelo constituiria um tremendo avanço ". A equipe de Bloch aprendeu muito sobre como manter os gases quânticos em temperaturas apenas um pouquinho acima do zero absoluto, gerar e manipular redes ópticas e controlar os movimentos dos átomos de vários elementos, como o rubídio, sódio e lítio, para citar apenas alguns. Os experimentos de Aidelsburger usarão átomos de yterrbium (Yb), porque eles exibem dois estados quânticos de longa duração, o que os torna particularmente úteis para as simulações planejadas. Feixes de laser fortemente focados serão empregados para controlar especificamente os movimentos dos átomos dentro da rede. Na simulação, os dois estados atômicos desempenharão os papéis das partículas de matéria e das partículas que medeiam as forças que agem sobre elas.

É tecnicamente viável acoplar o movimento dos dois estados de longa vida dos átomos de Yb na rede. "Este acoplamento local nos permite, pela primeira vez, representar experimentalmente os blocos de construção fundamentais de teorias de calibre de rede simples em um ambiente experimental, "diz Aidelsburger. Além disso, a técnica pode ser estendida diretamente para estruturas de rede maiores e dimensões mais altas. Isso permitiria aos pesquisadores simular teorias de calibre de rede que desempenham um papel importante na física da matéria condensada e na eletrodinâmica quântica usando procedimentos experimentais tratáveis. Isso seria uma conquista verdadeiramente inovadora. "Nossa estratégia abre oportunidades experimentais inteiramente novas para explorar certos fenômenos e desenvolver ideias para novas teorias, "diz Aidelsburger.

Os ajustes finos

A perspectiva de poder trabalhar nos próximos anos no departamento de Immanuel Bloch como professora permanente foi um dos motivos pelos quais ela decidiu retornar a Munique após seu período de pós-doutorado no Collège de France em Paris. "Jovens pesquisadores precisam de tais perspectivas de longo prazo, " ela diz, "especialmente se eles desejam realizar uma tarefa experimental tão complexa e exigente." O projeto e a construção de um novo sistema podem levar até três anos. Começa-se com modelos simples, e pergunta se sua simulação produz resultados que concordam com os obtidos com a teoria, ou são compatíveis com previsões derivadas de métodos numéricos bem estabelecidos, como simulações de Monte Carlo. Esses testes servem como uma escala de calibração para experimentos - e permitem que os pesquisadores ajustem as condições de forma adequada e aumentem gradualmente o nível de complexidade dos experimentos. Além disso, os sistemas experimentais devem ser constantemente verificados para garantir que fornecem uma descrição correta dos fenômenos que pretendem descrever. "É aqui que a estreita colaboração com teóricos de outros campos é especialmente importante, "diz Aidelsburger." Os riscos envolvidos são consideráveis, já que este é um território amplamente desconhecido para todos nós. Temos que reunir áreas muito diferentes da física. É minha esperança fervorosa que as experiências iniciais com modelos simples produzirão resultados que encontrem eco em diversas disciplinas. "

Nos modelos mais simples, os átomos de Yb podem adotar qualquer um dos dois estados definidos, o estado fundamental e um único estado excitado metaestável. O objetivo é adicionar progressivamente mais estados ao sistema, permitindo que interações mais complexas sejam implementadas. Este seria um passo importante em direção ao objetivo final de usar átomos ultracold para simular a força nuclear forte - a interação entre quarks (os constituintes fundamentais dos núcleos atômicos) e glúons (as partículas de força que mantêm os núcleos atômicos juntos). A última tarefa exigirá a implementação de teorias de calibre de rede muito mais complexas.

Células individuais em redes ópticas bidimensionais consistindo em 100 × 100 átomos agora podem ser endereçadas e suas ocupações controladas, permitindo que os efeitos dinâmicos sejam observados em detalhes. Assim, é possível determinar se uma determinada célula da rede está ou não ocupada sob condições específicas, e o estado de cada átomo na rede pode ser sondado praticamente em tempo real. Com essas conquistas em seu currículo, os físicos estão a caminho de concretizar a ideia de um simulador quântico que o famoso físico americano Richard Feynman formulou na década de 1980. "Esperamos que nossa configuração abra caminho para investigar experimentalmente questões fundamentais na cromodinâmica quântica, "diz Aidelsburger - antes de adicionar um qualificador enfático:" Mas ainda estamos no início. "