Os físicos da ETH Zurich desenvolveram uma nova abordagem para acoplar campos de calibre quantizados a matéria ultracold. O método pode ser a base para uma plataforma versátil para lidar com problemas que vão da matéria condensada à física de alta energia.

A interação entre campos e matéria é um tema recorrente em toda a física. Casos clássicos como as trajetórias de um corpo celeste movendo-se no campo gravitacional de outros ou o movimento de um elétron em um campo magnético são extremamente bem compreendidos, e as previsões podem ser feitas com uma precisão surpreendente. Contudo, quando o caráter quântico das partículas e campos envolvidos deve ser fatorado explicitamente, então a situação rapidamente se torna complexa. E se, além do que, além do mais, o campo depende do estado das partículas que nele evoluem, então, os cálculos podem ficar fora de alcance mesmo para os computadores mais poderosos de hoje.

As limitações de explorar regimes de interação dinâmica entre campos e matéria impedem o progresso em áreas que variam da física da matéria condensada à física de alta energia. Mas há uma abordagem alternativa:em vez de calcular a dinâmica, simulá-los. Notoriamente, para sistemas planetários, modelos mecânicos conhecidos como orreries foram construídos muito antes do desenvolvimento dos computadores digitais. Nos últimos anos, pesquisadores desenvolveram os chamados simuladores quânticos nos quais a dinâmica desconhecida de um sistema quântico é emulada usando outro, mais controlável. Como relatam hoje no jornal Física da Natureza , Frederik Görg e colegas do grupo de Tilman Esslinger no Departamento de Física da ETH Zurique já fizeram um progresso substancial em simuladores quânticos que podem ser empregados para lidar com classes gerais de problemas onde a dinâmica da matéria e os campos são acoplados.

Resultados difíceis de avaliar

Görg et al. não olhou diretamente para os campos gravitacionais ou eletromagnéticos, mas nos chamados campos de calibre. Estes são campos auxiliares que normalmente não são observáveis ​​diretamente em experimentos, mas ainda mais poderoso como uma estrutura consistente para o tratamento matemático das interações entre partículas e campos. Como um conceito central em física, os campos de medição oferecem uma rota única para compreender as forças - a força eletromagnética e também aquelas que mantêm as partículas subatômicas unidas. Consequentemente, há um interesse substancial em simulações quânticas de campos de calibre, que poderia fornecer uma nova visão sobre situações que atualmente não podem ser exploradas em cálculos ou simulações de computador.

Uma das plataformas líderes atualmente para simular sistemas quânticos complexos é baseada em átomos que são resfriados a temperaturas próximas ao zero absoluto e aprisionados em estruturas reticuladas criadas por luz laser. Um grande avanço nos últimos anos foi a constatação de que os átomos podem ser usados ​​para imitar o comportamento dos elétrons em um campo magnético, mesmo que os átomos não tenham carga elétrica. A chave para conseguir isso é o uso de parâmetros de controle externo para orientar o processo de tunelamento quântico, pelo qual os átomos se movem entre locais adjacentes da rede óptica. Através da adaptação adequada da fase complexa que as partículas quânticas captam em um evento de tunelamento - conhecido como fase de Peierls - os átomos neutros podem se comportar precisamente como partículas carregadas se movendo em um campo magnético. A dinâmica projetada nesses campos de calibre sintético pode ser comparada à dos orreries clássicos, em que os planetas modelo se movem como se estivessem sujeitos a uma atração gravitacional substancial de um corpo central, emulando o comportamento de planetas reais.

Agitando o campo

O grupo Esslinger e outros usaram a plataforma do átomo ultracold antes para criar campos de medição artificiais resultantes de fases complexas de tunelamento. Mas por enquanto, esses campos de engenharia eram intrinsecamente clássicos, e não incluiu a ação de retorno dos átomos para o campo de medição. Daí a empolgação quando Görg e seus colegas de trabalho agora apresentam uma maneira flexível de conseguir o acoplamento entre átomos e campos de calibre. Eles propõem - e implementam - um procedimento para tornar a fase de Peierls dependente de como os átomos estão distribuídos na rede. Quando a distribuição muda como consequência da interação com o campo do medidor, o campo do medidor em si é alterado. É como se o orrery fosse aumentar ou diminuir a velocidade, dependendo da constelação planetária (que não é necessária para modelar a mecânica celeste simples, como a interação entre planetas é negligenciada). No caso de um simulador quântico para campos de calibre quântico, Contudo, a interação entre as partículas é um ingrediente essencial.

Nos experimentos agora relatados, os físicos da ETH criaram uma rede óptica que consiste em 'dímeros, "cada um feito de dois locais vizinhos nos quais átomos fermiônicos podem residir individualmente ou em pares (veja a figura). O tunelamento entre os locais do dímero é controlado agitando a rede em duas frequências diferentes com um atuador piezoelétrico. As frequências e as fases da modulação são escolhidas de tal forma que a fase de Peierls entre os sítios depende se um átomo compartilha seu sítio dímero com outro átomo de spin oposto ou não (veja a animação).

Questões de generalidade

O passo para a engenharia de campos de calibre que são acoplados a matéria ultracold é importante. Átomos ultracold em redes ópticas já estão estabelecidos como uma plataforma versátil para simulações quânticas, incluindo a emulação de fenômenos eletrônicos complexos que ocorrem em materiais de estado sólido. O trabalho atual de Görg et al., junto com avanços recentes relacionados por outros grupos, promete que em um futuro não muito distante também campos de calibre quântico mais complexos podem ser atacados, em particular aqueles que aparecem na física de alta energia e desafiam as atuais abordagens clássicas de simulação.

Uma força distinta da abordagem de Görg et al. é que ele pode ser usado para a engenharia de uma variedade de diferentes campos de medição quantizados, além do cenário específico que eles exploraram experimentalmente no artigo recém-publicado, como eles mostram com base em considerações teóricas. E como o trabalho também demonstra controle experimental requintado sobre um sistema atômico de muitos corpos altamente sintonizável, há agora a perspectiva clara e intrigante de um orrery moderno que fornece uma visão não dos movimentos no céu, mas profundamente no mundo quântico.