p Teorias de calibre quântico são construções matemáticas que são normalmente usadas por físicos para descrever partículas subatômicas, seus campos de onda associados e as interações entre eles. A dinâmica delineada por essas teorias é difícil de calcular, ainda assim, emulá-los de forma eficaz no laboratório pode levar a novas percepções e descobertas valiosas. p Em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores do Instituto de Eletrônica Quântica da ETH Zurich implementou com sucesso um ingrediente fundamental para a simulação de teorias de calibre quântico em um experimento de laboratório. Sua esperança é que, ao simular sistemas quânticos em um ambiente altamente controlado, eles vão reunir observações interessantes e ampliar sua compreensão dos sistemas de muitos corpos (ou seja, sistemas com muitas partículas que interagem entre si).

p "Usualmente, nosso trabalho é inspirado por fenômenos da física do estado sólido, como fases fortemente correlacionadas de elétrons em materiais complexos, "Tilman Esslinger, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. "Em nosso trabalho atual, Contudo, queríamos estender o escopo de nossa plataforma experimental (ou seja, átomos ultracold em redes ópticas), a fim de investigar um novo conjunto de fenômenos que ocorrem na física de alta energia e matéria condensada. O objetivo era demonstrar que é possível projetar campos de calibre em nossa configuração que são graus quânticos de liberdade dinâmicos devido ao seu acoplamento a um campo de matéria. "

p Campos de calibre são um componente vital de várias teorias de campos quânticos, incluindo eletrodinâmica quântica e cromodinâmica. Eles descrevem uma grande classe de fenômenos em várias áreas da física, como física de partículas elementares, física da matéria condensada e teoria da informação quântica. Implementar campos de calibre em configurações de átomos frios permitiria, portanto, aos pesquisadores investigar alguns desses fenômenos no laboratório.

p A abordagem usada por Esslinger e seus colegas em seu estudo é baseada em uma técnica chamada engenharia Floquet. Este método é usado para modular um sistema quântico periodicamente ao longo do tempo, possibilitando a implementação de novos modelos físicos durante o experimento que não são acessíveis em sistemas estáticos.

p Em seus experimentos, os pesquisadores resfriaram átomos de potássio fermiônicos a temperaturas próximas do zero absoluto. Neste regime, efeitos quânticos dominam o comportamento das partículas. Isso permitiu que estudassem esses efeitos em um ambiente altamente controlável. Subseqüentemente, Esslinger e seus colegas carregaram os átomos resfriados em um cristal artificial feito de luz laser, simulando assim comportamentos específicos, por exemplo, aqueles de elétrons em um material de estado sólido.

p "A fim de projetar as fases de Peierls dependentes da densidade, usamos uma abordagem Floquet e balançamos a estrutura óptica ao longo de uma direção, "Frederik Görg, outro pesquisador envolvido no estudo, disse Phys.org. "Isso nos permitiu controlar o processo de tunelamento da mecânica quântica dos átomos entre os locais vizinhos da rede."

p Ao conduzir o sistema em duas frequências distintas com uma fase relativa, Esslinger e seus colegas conseguiram um tunelamento de valor complexo que incluiu uma fase de Peierls. Como resultado, os átomos usados ​​em seu experimento começaram a se comportar como se estivessem expostos a um campo de medida sintético.

p "Uma vez que as frequências de agitação são escolhidas para serem ressonantes com a interação entre as partículas, a fase de Peierls e, portanto, o campo de medida associado dependem da configuração atômica na rede, "Görg explicou." Isso leva a um mecanismo de ação reversa entre a matéria e o campo de medição:os átomos começarão a se mover devido à presença do campo de medição, o que, por sua vez, mudará o próprio campo do medidor. "

p Em seu estudo, os pesquisadores desenvolveram um esquema de medição em um link individual da rede. Usando este esquema, eles mediram a fase de Peierls que os átomos captam ao fazer um túnel no topo de um segundo átomo e a compararam com a fase que eles captam ao pular em um local vazio.

p Os pesquisadores observaram que havia uma diferença significativa entre essas duas fases. Isso sugere que o campo de calibre associado a essas fases de Peierls depende da ocupação dos locais da rede - em outras palavras, é dependente da densidade.

p "Esse sistema fortemente correlacionado consistindo de átomos acoplados a um campo de medida dinâmica é muito difícil de lidar com simulações numéricas em computadores clássicos, "Görg disse." Nosso trabalho é o primeiro passo em direção a uma simulação quântica experimental de teorias de calibre de rede, que pode lançar uma nova luz sobre fenômenos mal compreendidos em matéria condensada e física de alta energia. "

p O estudo recente realizado por esta equipe de pesquisadores apresenta um novo método versátil para implementar e simular diferentes classes de campos de calibre dependentes da densidade. Em última análise, a técnica que eles propuseram pode abrir caminho para novas teorias e observações da física estimulantes. Em seu trabalho futuro, os pesquisadores planejam usá-lo para estudar a interação entre campos de calibre dinâmico e átomos em sistemas de muitos corpos implementados em uma rede óptica estendida.

p "Já mostramos em trabalhos anteriores que temos um controle muito bom sobre os sistemas de muitos corpos acionados e que podemos mitigar os problemas associados aos sistemas Floquet de interação, como aquecimento, "Esslinger disse." Juntamente com as fases de Peierls dependentes de densidade demonstradas neste artigo, nosso experimento fornece uma plataforma versátil para simular e compreender fases fortemente correlacionadas das teorias de calibre quântico. " p © 2019 Science X Network