Os fluidos quânticos condensados ​​de Bose não duram para sempre. Esses estados incluem superfluidos e condensados ​​de Bose-Einstein (BECs).

Há uma bela pureza em tais estados exóticos, em que cada partícula está no mesmo estado quântico, permitindo que os efeitos quânticos sejam vistos em um nível macroscópico visível em um microscópio simples.

Na realidade, nem todas as partículas permanecem no condensado, mesmo no zero absoluto, onde, classicamente, espera-se que as partículas permaneçam imóveis. Em vez de, flutuações quânticas induzidas por interação fazem as partículas colidirem, expulsando inevitavelmente algumas partículas do condensado, um fenômeno denominado "esgotamento quântico".

Este efeito é incrivelmente forte no superfluido hélio-4, o primeiro superfluido conhecido, de modo que 90% das partículas são expelidas para fora do condensado. Contudo, extremamente diluído, gases atômicos ultracold, que formam os condensados ​​típicos de Bose-Einstein (BEC) que conhecemos, o efeito é muito mais fraco, quase insignificante.

Embora a depleção quântica tenha sido bem descrita teoricamente (pela teoria de 70 anos desenvolvida por Nikolay Bogoliubov), historicamente, sabe-se que é difícil medir em um BEC atômico por uma série de razões.

Em vez de partículas atômicas, físicos da Australian National University (ANU) usam exciton-polaritons, partículas híbridas com caráter de luz e matéria, que permite a detecção de momentum sem qualquer distorção.

A equipe ANU, liderado pela Prof Elena Ostrovskaya, detectou com sucesso as partículas expelidas bloqueando a luz, usando um fio de navalha, emitido pelo condensado incrivelmente brilhante. "É como recriar um eclipse solar, "diz o autor principal do estudo, Dr. Maciej Pieczarka." A lua bloqueia o sol brilhante (o condensado) e expõe sua coroa gloriosa (as excitações). "

O estudo representa a primeira observação direta da depleção quântica em um condensado de Bose-Einstein (BEC) sem equilíbrio.

"Os condensados ​​semelhantes à luz não se comportam como esperávamos. Na verdade, não há explicação para este comportamento

Um resultado surpreendente do estudo oferece um novo desafio para a física de fluidos quânticos sem equilíbrio. Os condensados ​​de exciton-polariton podem ser ajustados de mais semelhantes à matéria (excitônicos) para mais semelhantes à luz (fotônicos), permitindo a comparação com as teorias de condensado atômico de equilíbrio (matéria) e de fluidos quânticos de não-equilíbrio de luz.

Os pesquisadores descobriram que, quando os condensados ​​eram "semelhantes à matéria, "eles se comportaram exatamente como esperado para um BEC em equilíbrio térmico (descrito pela teoria de Bogoliubov de longa data).

Contudo, condensados ​​que eram "semelhantes à luz" desviados do comportamento esperado de Bogoliubov, de uma maneira não descrita por quaisquer teorias existentes

Resumidamente, mesmo se esses condensados ​​forem dissipados, eles podem se comportar como condensados ​​atômicos em equilíbrio (quando são semelhantes à matéria) ou um fluido quântico sem equilíbrio (quando são semelhantes à luz).

Excitação negativa observada

A pesquisa resolve um problema antigo em condensados ​​de exciton-polariton:o problema da visibilidade dos ramos de excitação.

A depleção quântica leva à visibilidade de ramos fantasmas no espectro de excitações. Anteriormente, apenas as excitações positivas ou normais já foram observadas em um criado espontaneamente, BEC em estado estacionário, enquanto as excitações negativas ou fantasmas preditas por Bogoliubov escaparam às observações neste regime.

Agora, a equipe ANU usou os condensados ​​de alta densidade dominados por interação, no regime de estado estacionário, para aumentar o sinal muito fraco das partículas fantasmas. Este estudo demonstra a primeira observação experimental clara deste ramo fantasma de excitações elementares em um criado espontaneamente, condensado exciton-polariton em estado estacionário.

Ao contrário de sua contraparte normal, as partículas fantasmas só podem ser criadas por flutuações quânticas e sua detecção neste estudo é a arma fumegante da depleção quântica de condensados ​​de exciton-polariton.

"O irônico sobre essas partículas expelidas é que, embora estritamente não façam parte do condensado, na verdade, eles dizem quase tudo sobre o condensado esgotado, "diz o co-autor Dr. Eliezer Estrecho.

A equipe liderada pela ANU usou a observação do ramo fantasma para medir com precisão a força das interações de exciton-polaritons, um parâmetro-chave que teve uma incerteza controversamente grande com base nas medições de outros grupos. O resultado está totalmente de acordo com o trabalho anterior da equipe ANU (veja abaixo), onde a alta densidade, o condensado dominado pela interação foi combinado por acaso com o efeito de queima do buraco. A excelente concordância com a teoria finalmente resolveu a controvérsia.

Superfluidos e condensados ​​quânticos

Superfluidos, como Helium-4, estão intimamente relacionados aos condensados ​​de Bose-Einstein (BEC) de bósons em interação.

"Esgotamento quântico" descreve o processo pelo qual, mesmo no Zero Absoluto, algumas das partículas que ocupam o estado quântico macroscópico tornam-se excitadas em estados de momento mais alto por meio de interações interpartículas e flutuações quânticas.

Essencialmente, tais partículas são expelidas para fora do condensado.

A depleção quântica é particularmente difícil de medir em sistemas de não equilíbrio, como condensados ​​exciton-polariton (fótons acoplados a pares de elétron-buraco em um semicondutor), uma vez que existem outros processos que podem produzir o mesmo efeito de expulsão

No novo estudo, o esgotamento quântico de um condensado exciton-polariton de alta densidade preso opticamente é observado detectando diretamente a assinatura reveladora do processo das partículas fantasmas que ocupam o ramo negativo das excitações elementares.

"Os resultados pedem uma compreensão mais profunda da relação entre BECs de equilíbrio e não-equilíbrio, "diz a professora Elena Ostrovskaya.

O time, que inclui colaboradores teóricos no nó da FLEET da Monash University, agora está estendendo seu trabalho para elucidar propriedades subjacentes mais profundas, como as fases e relações universais, deste híbrido de matéria leve de um condensado.

"Observação da depleção quântica em um condensado exciton-polariton sem equilíbrio" foi publicada em Nature Communications em janeiro.