Quando você coloca uma bandeja com água no freezer, você obtém cubos de gelo. Agora, pesquisadores da University of Colorado Boulder e da University of Toronto conseguiram uma transição semelhante usando nuvens de átomos ultracold.

Em um estudo que aparecerá no dia 2 de agosto na revista Avanços da Ciência , a equipe descobriu que poderia empurrar esses materiais quânticos para passar por transições entre "fases dinâmicas" - essencialmente, pular entre dois estados nos quais os átomos se comportam de maneiras completamente diferentes.

"Isso acontece abruptamente, e se assemelha às transições de fase que vemos em sistemas como a água se transformando em gelo, "disse a co-autora do estudo Ana Maria Rey." Mas ao contrário daquela bandeja de cubos de gelo no congelador, essas fases não existem em equilíbrio. Em vez de, átomos estão constantemente mudando e evoluindo ao longo do tempo. "

As evidências, ela adicionou, fornecem uma nova janela para materiais que são difíceis de investigar em laboratório.

"Se você quiser, por exemplo, projetar um sistema de comunicação quântica para enviar sinais de um lugar para outro, tudo ficará fora de equilíbrio, "disse Rey, um colega da JILA, um instituto conjunto entre CU Boulder e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). "Essa dinâmica será o problema chave para entender se quisermos aplicar o que sabemos às tecnologias quânticas."

Os cientistas já observaram transições semelhantes em átomos ultracold, mas apenas entre algumas dezenas de átomos carregados, ou íons.

Rey e seus colegas, em contraste, transformou-se em nuvens compostas por dezenas de milhares de pessoas sem carga, ou neutro, átomos fermiônicos. Átomos fermiônicos, ela disse, são os introvertidos da tabela periódica dos elementos. Eles não querem compartilhar seu espaço com seus colegas átomos, o que pode torná-los mais difíceis de controlar em laboratórios de átomos frios.

"Estávamos realmente vagando por um novo território sem saber o que encontraríamos, "disse o co-autor do estudo Joseph Thywissen, professor de física da Universidade de Toronto.

Para navegar nesse novo território, os pesquisadores aproveitaram as interações fracas que ocorrem entre átomos neutros - mas apenas quando esses átomos se chocam em um espaço confinado.

Primeiro, Thywissen e sua equipe no Canadá resfriaram um gás composto de átomos de potássio neutros a apenas uma fração de grau acima do zero absoluto. Próximo, eles ajustaram os átomos de modo que seus "spins" apontassem todos na mesma direção.

Esses spins são uma propriedade natural de todos os átomos, Thywissen explicou, um pouco como o campo magnético da Terra, que atualmente aponta para o norte.

Uma vez que os átomos estavam todos em formação, o grupo então os ajustou para mudar a intensidade com que interagiam uns com os outros. E foi aí que a diversão começou.

"Fizemos o experimento usando um tipo de campo magnético, e os átomos dançaram de uma maneira, "Thywissen disse." Mais tarde, realizamos o experimento novamente com um campo magnético diferente, e os átomos dançaram de uma maneira completamente diferente. "

Na primeira dança - ou quando os átomos mal interagiram - essas partículas caíram no caos. Os spins atômicos começaram a girar em seus próprios ritmos e rapidamente apontaram em direções diferentes.

Pense nisso como estar em uma sala cheia de milhares de relógios com ponteiros de segundos, todos funcionando em tempos diferentes.

Mas isso foi apenas parte da história. Quando o grupo aumentou a força das interações entre os átomos, eles pararam de agir como indivíduos desordenados e mais como um coletivo. Seus giros ainda funcionavam, em outras palavras, mas eles marcavam em sincronia.

Nesta fase síncrona, "os átomos não são mais independentes, "disse Peiru He, um estudante de pós-graduação em física na CU Boulder e um dos principais autores do novo artigo. "Eles se sentem, e as interações os levarão a se alinharem. "

Com os ajustes certos, o grupo também descobriu que poderia fazer outra coisa:voltar no tempo, fazendo com que as fases sincronizada e desordenada voltem ao seu estado inicial.

No fim, os pesquisadores só foram capazes de manter essas duas fases dinâmicas diferentes da matéria por cerca de 0,2 segundos. Se eles puderem aumentar esse tempo, Ele disse, eles podem ser capazes de fazer observações ainda mais interessantes.

"Para ver uma física mais rica, provavelmente teremos que esperar mais, " Ele disse.