Uma foto da configuração experimental usada para realizar estudos precisos da física universal em uma amostra atômica ultracold. Uma miríade de elementos (incluindo lasers, componentes ópticos, bobinas de campo magnético, e antenas de RF) são usadas para capturar átomos de uma fonte de vapor de potássio quente (cerca de 400 Kelvin) (a câmara mostrada no canto superior direito), resfriar a amostra de gás a temperaturas ultracold (cerca de 10 ^ -8 Kelvin) na câmara de vácuo ultra-alto (canto superior esquerdo), manipulando os estados quânticos, realizando espectroscopia de precisão, e imagens de nuvens ultracold. Crédito da figura:Roman Chapurin.
O conceito de física universal é intrigante, uma vez que permite aos pesquisadores relacionar fenômenos físicos em uma variedade de sistemas, independentemente de suas características e complexidades variáveis. Sistemas atômicos ultracold são frequentemente percebidos como plataformas ideais para explorar a física universal, devido ao controle preciso dos parâmetros experimentais (como a força de interação, temperatura, densidade, estados quânticos, dimensionalidade, e o potencial de captura) que podem ser mais difíceis de ajustar em sistemas mais convencionais. Na verdade, sistemas atômicos ultracold foram usados para entender melhor uma miríade de comportamentos físicos complexos, incluindo aqueles tópicos em cosmologia, partícula, nuclear, física molecular, e mais notavelmente, na física da matéria condensada, onde as complexidades dos fenômenos quânticos de muitos corpos são mais difíceis de investigar usando abordagens mais tradicionais.
Compreender a aplicabilidade e a robustez da física universal é, portanto, de grande interesse. Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Colorado Boulder realizaram um estudo, recentemente apresentado em Cartas de revisão física , com o objetivo de testar os limites da universalidade em um sistema ultracold.
"Ao contrário de outros sistemas físicos, a beleza dos sistemas ultrafrios é que às vezes somos capazes de descartar a importância da tabela periódica e demonstrar o fenômeno semelhante com qualquer espécie atômica escolhida (seja potássio, rubídio, lítio, estrôncio, etc.), "Roman Chapurin, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "O comportamento universal é independente dos detalhes microscópicos. Compreender as limitações do fenômeno universal é de grande interesse."
Devido à natureza de poucos corpos de interações na maioria dos sistemas ultracold, os pesquisadores devem obter um melhor conhecimento da física de poucas partículas para compreender melhor os complexos fenômenos ultracold de muitos corpos. A equipe do NIST e CU Boulder se concentrou em explorar os limites da universalidade em um fenômeno universal de poucos corpos chamado física Efimov.
Inicialmente teorizado no contexto da física nuclear, esse exótico fenômeno quântico prediz que fortes interações de dois corpos podem mediar a atração por três corpos e formar estados de três corpos fracamente ligados, chamados de trímeros Efimov. Na verdade, há um número infinito de trímeros Efimov, cujos tamanhos e energias se relacionam uns com os outros por um fator numérico universal.
Além dessa escala universal, pesquisadores mais tarde notaram que em sistemas atômicos, todos os tamanhos do trímero Efimov são iguais (em unidades redimensionadas), independentemente da espécie atômica escolhida ou dos detalhes exatos nas interações subjacentes de dois corpos que medeiam as forças de três corpos na física Efimov. O último aspecto universal da física Efimov é conhecido como "universalidade de van der Waals, "e foi considerado verdadeiro até o estudo recente.
"A importância da universalidade na física Efimov é que somos capazes de compreender e prever o quadro completo de interação de poucos corpos em escalas de comprimento arbitrárias, dado apenas um amplo conhecimento da física dos dois corpos, "Disse Chapurin." Nossa medição mostra que nem sempre é esse o caso, demonstrando o primeiro desvio da universalidade de van der Waals e testando os limites da física universal em um sistema de poucos corpos. "
Uma visualização dos trímeros Efimov, cuja atração de três corpos é mediada pelas forças de dois corpos de longo alcance, representado pela cor dourada. Apesar dos detalhes complexos e da individualidade de determinadas espécies atômicas, representado por diferentes poliedros nos núcleos, esses trímeros têm formas e tamanhos semelhantes, retratando a universalidade. A sugestão de uma rachadura na natureza universal, conforme observado pela primeira vez pelos pesquisadores do estudo, é representado pela diferença sutil de tamanho do trímero no centro. Crédito da figura:Steven Burrows, JILA.
Chapurin e colegas realizaram medições precisas de poucos corpos para determinar as propriedades dos trímeros Efimov em um gás potássio ultracold. O alto grau de controle sobre os parâmetros experimentais, junto com erros estatísticos e sistemáticos baixos, permitiu-lhes encontrar a primeira evidência convincente de trímeros Efimov não universais. Os pesquisadores descobriram trímeros Efimov com tamanhos significativamente maiores do que a teoria universal prevê.
"Nossas medidas, com precisão sem precedentes, revelou um resultado surpreendente:o primeiro desvio definitivo da universalidade de van der Waals, ", Disse Chapurin." Medimos os tamanhos dos trímeros de Efimov como sendo diferentes do que a teoria universal prevê e diferentes de todas as medições anteriores em diferentes espécies atômicas. "
Para entender melhor suas observações, os pesquisadores desenvolveram um novo modelo teórico de três corpos. Seu modelo sugere que, em raras circunstâncias, os detalhes microscópicos / finos do problema (neste caso, as complexas interações de spin) podem afetar drasticamente os observáveis macroscópicos, como o tamanho dos trímeros Efimov.
"Descobrimos que um modelo de três corpos refinado com base em nossas medições precisas das interações de dois corpos, indiscutivelmente a medição mais precisa da física de dois corpos em um sistema ultracold, pode explicar o resultado não universal observado, "Chapurin explicou." Nesta rara ocorrência, os detalhes microscópicos finos e complexos das interações quebram a natureza universal da física Efimov. "
Embora as observações experimentais apontem claramente para um forte desvio da universalidade de van der Waals, "nem tudo o que é universal está perdido, "de acordo com Jose D'Incao, também pesquisador do estudo. Ele acrescentou que:"uma das premissas da universalidade ainda persiste:por apenas saber como dois átomos interagem, todas as propriedades de baixa energia dos sistemas triatômicos Efimov podem ser derivadas, sem a necessidade de se referir às forças químicas de três corpos mais tradicionais e complicadas. "
O estudo realizado por Chapurin e seus colegas reuniu novas observações fascinantes que poderiam aprimorar a compreensão atual da universalidade na física de poucos corpos. Embora os pesquisadores tenham sido capazes de fornecer uma explicação provisória, muitas perguntas permanecem sem resposta.
Por exemplo, enquanto seu artigo oferece uma visão para o desvio observado da universalidade do primeiro estado Efimov, o efeito dessa física microscópica complexa nos estados Efimov consecutivos (na série Efimov infinita) ainda é uma questão em aberto. Os estudos desses estados consecutivos fracamente ligados requerem temperaturas cada vez mais frias (menos de um bilionésimo de grau acima do zero absoluto), que são mais bem obtidas em um ambiente de microgravidade. O time, que faz parte da colaboração maior da JILA, espero resolver esta questão realizando experiências futuras no Laboratório Cold Atom na Estação Espacial Internacional.
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