Os físicos da Rice University, Matthew Foster e Seth Davis, querem ver um quebra-cabeça quântico incômodo de uma perspectiva inteiramente nova. Eles só precisam do ponto de vista certo e um lugar mais frio que o espaço profundo.

"Há um processo de forte interação física em que as partículas fundamentais, como elétrons, podem se unir e se comportar como se fossem uma fração de um elétron, "disse Davis, um estudante de graduação no grupo de pesquisa de Foster. "É chamado de fracionamento. É realmente exótico, processo fundamental que aparece teoricamente em muitos lugares. Pode ter algo a ver com a supercondutividade de alta temperatura, e pode ser útil para construir computadores quânticos. Mas é muito difícil de entender e ainda mais difícil de medir. "

Em um artigo recente em Cartas de revisão física , Foster e Davis, ambos físicos teóricos, propôs um experimento para medir o fracionamento não em elétrons, mas em átomos tão frios que seguem as mesmas regras quânticas que ditam como os elétrons se comportam em materiais quânticos, uma classe crescente de materiais com propriedades eletrônicas e físicas exóticas que os governos e a indústria estão procurando por computadores e dispositivos eletrônicos de última geração.

Os materiais quânticos incluem supercondutores de alta temperatura, um dos mistérios mais intrigantes da física, e materiais que exibem fases topológicas, que rendeu aos seus descobridores o Prêmio Nobel de Física 2016. Este último é o único lugar onde os físicos mediram inequivocamente a fracionamento, em um estado eletrônico exótico chamado de efeito Hall quântico fracionário. Neste estado, materiais bidimensionais planos conduzem eletricidade apenas ao longo de suas bordas unidimensionais.

"Esse é um exemplo 2-D, "disse Foster, professor assistente de física e astronomia na Rice. "E é claro que o fracionamento está ocorrendo lá porque se você medir a condutância desses estados de borda, eles se comportam como se fossem feitos de partículas que se comportam como um terço de um elétron.

"Não existem partículas reais carregando um terço da carga elétrica, "disse ele." É apenas o efeito de todos os elétrons se movendo juntos de tal forma que, se você criar uma excitação local, ele se comportará como um elétron com um terço da carga. "

Foster e Davis disseram que a principal motivação para descrever seu teste atômico ultracold era ser capaz de observar a fracionamento em um sistema que é muito diferente do exemplo de Hall quântico fracionário.

"O que pretendemos é apenas ver essa física em outro contexto de uma forma inequívoca, "disse Foster, um membro do Centro de Materiais Quânticos de Rice (RCQM).

O experimento proposto pede que átomos de resfriamento a laser atuem como substitutos dos elétrons. Em tais experimentos, lasers se opõem ao movimento dos átomos, progressivamente diminuindo-os para temperaturas cada vez mais frias. Os átomos frios são capturados por outros lasers que formam guias de ondas ópticas, canais unidimensionais onde os átomos podem se mover para a esquerda ou para a direita, mas não podem contornar um ao outro. O comportamento quântico dos átomos nessas guias unidimensionais imita o comportamento dos elétrons em fios 1D.

"Todos os elementos individuais do experimento foram desenvolvidos, mas não acreditamos que eles tenham sido colocados juntos em uma única configuração experimental, "É aí que precisamos da ajuda de experimentalistas especialistas em resfriamento a laser", disse Foster.

Para observar o fracionamento em um sistema ultracold, Foster e Davis propõem a criação de um conjunto de guias de onda 1D paralelos que estão todos no mesmo plano bidimensional. Alguns átomos adicionais povoariam as guias 1D perto do centro do experimento.

"Então, vamos começar com os fios 1D ', 'ou guias, e a densidade inicial no meio, e então vamos largar alguns dos lasers e permitir que os átomos interajam entre os fios em uma espécie de malha 2-D, "Foster disse." Podemos descrever com muita precisão o sistema 1D, onde fortes interações fazem com que os átomos se comportem de maneira correlacionada. Porque todo o sistema é mecânico quântico e coerente, essas correlações devem ser impressas no sistema 2-D.

"Nossa sonda está deixando de lado essa saliência extra de densidade e observando o que ela faz, "disse ele." Se os átomos nas guias 1D não estão interagindo, então a saliência vai se espalhar entre os fios. Mas, se houve fracionamento inicial devido aos efeitos correlacionados nos fios, o que podemos calcular com segurança é que a densidade fará algo completamente diferente. Vai na outra direção, voando pelos fios. "

Foster disse que está interessado em discutir a viabilidade do teste com experimentalistas atômicos ultracold.

"Sabemos que pode levar anos para construir e aperfeiçoar algumas das configurações experimentais para esses tipos de experimentos, "Foster disse." Como teóricos, sabemos os ingredientes de que precisamos, mas não sabemos quais serão mais difíceis de implementar ou se pode ser mais fácil modificar algumas configurações em oposição a outras. É aí que vamos precisar da ajuda de nossos colegas experimentais. "