p Muitas das maiores questões da física podem ser respondidas com a ajuda de teorias quânticas de campo:elas são necessárias para descrever a dinâmica de muitas partículas em interação, e, portanto, são tão importantes na física do estado sólido quanto na cosmologia. Muitas vezes, Contudo, é extremamente complicado desenvolver um modelo teórico de campo quântico para um problema específico - especialmente se o sistema em questão consiste em muitas partículas em interação. p Agora, uma equipe da TU Wien e da Universidade de Heidelberg desenvolveu métodos com os quais esses modelos podem ser obtidos diretamente a partir de medições experimentais. Em vez de comparar os resultados experimentais com as previsões do modelo teórico, isto é, em certo sentido, possível medir a própria teoria. Isso deve lançar uma nova luz sobre o complicado campo da física quântica de muitos corpos.

p Simuladores quânticos

p Nos últimos anos, um novo método de estudar sistemas físicos quânticos ganhou importância - os chamados "simuladores quânticos". "Simplesmente não temos uma descrição satisfatória de alguns sistemas quânticos, por exemplo, supercondutores de alta temperatura. Outros sistemas simplesmente não podem ser observados diretamente, como o universo primitivo logo após o Big Bang. Suponha que ainda desejemos aprender algo sobre esses sistemas quânticos - então simplesmente escolhemos outro sistema que pode ser facilmente controlado em laboratório e o ajustamos para que se comporte de maneira semelhante ao sistema em que estamos realmente interessados. Por exemplo, podemos usar experimentos em átomos ultracold para aprender sobre sistemas que de outra forma não seríamos capazes de estudar, "explica Jörg Schmiedmayer do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Viena (VCQ) em TU Wien. Isso é possível porque existem semelhanças fundamentais entre as diferentes descrições físicas quânticas de diferentes sistemas.

p Mas não importa qual sistema quântico é estudado, os cientistas sempre se deparam com um problema fundamental:"Se houver muitas partículas envolvidas, as fórmulas da teoria quântica rapidamente se tornam tão complicadas que não podem ser resolvidas, nem mesmo com os melhores supercomputadores do mundo, "explica Sebastian Erne." É uma pena, porque os sistemas que consistem em muitas partículas são particularmente interessantes. Na vida cotidiana, acontece sempre que muitas partículas desempenham um papel ao mesmo tempo. "

p Livrando-se dos Detalhes

p Em geral, não é possível resolver a teoria quântica exata para um sistema de muitas partículas, em que cada partícula é considerada. É preciso encontrar uma descrição quântica simplificada que contenha todas as propriedades essenciais, mas não depende mais de detalhes sobre as partículas individuais. "Isso é semelhante a descrever um gás, "explica Jörg Schmiedmayer." Não estamos interessados ​​em cada átomo, mas em variáveis ​​mais gerais, como pressão e temperatura. "

p Mas como você chega a essas teorias para sistemas de muitos corpos? Derivá-los puramente matematicamente das leis da natureza que se aplicam a partículas individuais é extremamente complicado. Mas como agora acontece, isso não é necessário. "Encontramos um método de leitura da descrição teórica do campo quântico diretamente do experimento, "diz Schmiedmayer." Em certo sentido, a natureza fornece as fórmulas, com o qual deve ser descrito, por si só. "

p Sabemos que toda teoria quântica deve obedecer a certas regras formais - falamos, por exemplo, sobre correlações, propagadores, vértices, Diagramas de Feynman - os blocos básicos de construção de todo modelo físico quântico. A equipe de pesquisa da TU Wien e da Universidade de Heidelberg encontrou uma maneira de tornar esses blocos básicos individuais experimentalmente acessíveis. As medições experimentais resultam em uma teoria quântica obtida empiricamente para um sistema de muitos corpos, sem ter que trabalhar com papel e lápis.

p "Por anos, suspeitamos que isso é teoricamente possível, mas nem todos acreditaram que realmente funciona, "diz Jörg Schmiedmayer." Agora mostramos que estávamos certos - examinando um caso especial onde a teoria também pode ser encontrada e (em certos limites) resolvida matematicamente. Nossos resultados de medição fornecem exatamente os mesmos blocos de construção de teoria. "

p Nuvens Atômicas Ultracold

p O experimento foi feito com nuvens de milhares de átomos ultracold que estão presos em uma armadilha magnética em um chip atômico. "A partir dos padrões de ondas quânticas dessas nuvens atômicas, podemos determinar as funções de correlação a partir das quais os blocos de construção básicos da teoria apropriada podem ser derivados, "explica Schmiedmayer.

p Os resultados já foram publicados na revista Revisão Física X . A equipe espera que isso simplifique significativamente o estudo de sistemas quânticos de muitas partículas. Talvez lance alguma luz sobre algumas das grandes questões da física.