Linha superior:várias imagens mostrando a distribuição do momento atômico para vários tempos de evolução. Inicialmente, os átomos formam um condensado de Bose-Einstein (BEC). Quando preso por uma rede óptica, a distribuição do momento BEC exibe um padrão de interferência do tipo Bragg mostrando coerência de fase espacialmente estendida. A emissão espontânea destrói progressivamente a coerência de fase, e a distribuição de momentum evolui para uma ampla distribuição sem quaisquer recursos de Bragg. O painel principal mostra que essa decadência ocorre como uma lei de potência (linha sólida) para um sistema em interação. Este contraste com o decaimento exponencial familiar esperado para átomos independentes, mostrado como linha tracejada. Aqui γ sp =500 s- 1 é a taxa de emissão espontânea induzida pelo laser de excitação. Crédito:Bouganne et al.
Na física quântica, alguns dos efeitos mais interessantes são o resultado de interferências. Decoerência, ou perda de coerência, ocorre quando um sistema quântico eventualmente perde a capacidade de produzir interferências, devido ao ruído externo ou acoplamento a um sistema maior e não monitorado (ou seja, o ambiente circundante).
Embora muitos estudos tenham investigado a decoerência em sistemas simples e bem isolados, como átomos simples ou íons, até agora, muito pouco se sabe sobre a decoerência em sistemas de muitos corpos. Muitos sistemas do corpo são sistemas compostos de muitas partículas em interação, em que correlações e interações interpartículas podem alterar drasticamente a dinâmica dissipativa.
Uma equipe de pesquisadores do Collège de France e Laboratoire Kastler Brossel (uma unidade de pesquisa conjunta entre o CNRS e a ENS-Paris Sciences et Lettres e Sorbonne Université) na França começou recentemente a investigar a decoerência de um sistema dissipativo de muitos corpos, especificamente um gás composto de bósons de forte interação. Seu estudo, apresentado em Física da Natureza , se encaixa em uma linha de pesquisa mais geral que enfoca a decoerência em sistemas quânticos.
Estudos anteriores sugerem que existe uma profunda conexão entre a decoerência e os processos de medição normalmente empregados na mecânica quântica. Os pesquisadores basearam seu estudo neste importante achado e tentaram usá-lo para reunir observações sobre a decoerência em sistemas de muitos corpos.
"Embora o fenômeno da decoerência seja bem conhecido por sistemas quânticos simples, como um átomo ou íon, o estudo de sistemas de muitos corpos contendo um grande número de partículas mal começou, "Gerbier disse." Em parte, isso se deve à dificuldade de modelar o comportamento de desequilíbrio de sistemas de muitos corpos, um campo que progrediu apenas recentemente. Nosso trabalho foi motivado pela teoria desenvolvida por D. Poletti e co-autores do grupo de Corinna Kollath e Antoine Georges. "
Ao conduzir o estudo, Gerbier e seus colegas tiveram várias discussões aprofundadas com Kollath e Georges sobre sua teoria, que, portanto, desempenhou um papel importante em seu trabalho. Em seus experimentos, Gerbier e seus colegas colocaram um gás composto de muitos bósons de interação forte em uma rede óptica que foi exposta a um feixe de laser quase ressonante fraco. O gás quântico que eles usaram era composto de átomos de itérbio bosônicos.
O laser que eles usaram promove continuamente átomos do estado básico eletrônico para um estado excitado, a partir do qual eles voltam ao estado fundamental, emitindo um fóton espontâneo. Esta configuração particular corresponde a uma medição fraca e experimentalmente ajustável das posições dos átomos.
"A emissão espontânea é um manual de mecânica para a decoerência, "Gerbier explicou." Ela transforma uma oscilação de Rabi de coerência em decadência exponencial e também destrói a coerência de fase espacial entre diferentes pontos que existem em uma onda de matéria macroscópica, como os condensados de Bose-Einstein realizados em nossos experimentos. "
Interessantemente, Gerbier e seus colegas observaram uma subdifusão anômala no espaço de impulso, que em última análise reflete o surgimento de estados de muitos corpos lentamente relaxantes no gás. Esses estados são semelhantes aos estados sub-radiantes de muitos emissores excitados.
Essencialmente, os pesquisadores descobriram que a decoerência é mais lenta para um sistema de muitos corpos com forte interação do que para uma coleção de partículas individuais independentes. Em vez do decaimento exponencial padrão encontrado em partículas individuais, eles observaram um decaimento algébrico (ou seja, lei de potência) e coerência de curto alcance que persiste por mais tempo do que se os átomos não estivessem interagindo.
Esta descoberta pode ter implicações importantes para o estudo de sistemas abertos de muitos corpos, oferecendo uma referência para investigações futuras. Comportamentos de lei de potência semelhantes foram observados em estudos teóricos de diferentes sistemas de muitos corpos, como cadeias de spin em campo magnético flutuante ou a influência de interações dipolo-dipolo em relógios ópticos, mas eles ainda não foram observados experimentalmente.
"Agora planejamos estudar mais como o relaxamento e a decoerência afetam as propriedades dos sistemas quânticos de muitos corpos, usando a flexibilidade de átomos ultracold para fazer isso (variando a geometria, dimensionalidade, os mecanismos de decoerência, etc.), "Gerbier disse.
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