Pesquisadores da Penn State usam esse aparato para criar uma série de gases unidimensionais ultra-frios compostos de átomos. Esses átomos são bósons, uma das duas classes nas quais todas as partículas podem ser classificadas. Geralmente, bósons e férmions, a outra classe de partícula, se comportar de maneira bem diferente. Contudo, quando as interações internas entre os bósons em um gás unidimensional são muito fortes, sua distribuição espacial é a mesma dos férmions não interagentes. Os pesquisadores agora mostraram que quando os gases podem se expandir enquanto ainda estão confinados em uma dimensão, sua distribuição de velocidade também se torna a mesma de um gás de férmions não interagentes. Crédito:Nate Follmer, Estado de Penn
Bósons e férmions, as duas classes em que todas as partículas - desde as subatômicas até os próprios átomos - podem ser classificadas, se comportam de maneira muito diferente na maioria das circunstâncias. Embora bósons idênticos gostem de se reunir, férmions idênticos tendem a ser anti-sociais. Contudo, em uma dimensão - imagine partículas que só podem se mover em uma linha - os bósons podem se tornar tão distantes quanto os férmions, de modo que nenhum dois ocupe a mesma posição. Agora, uma nova pesquisa mostra que a mesma coisa - bósons agindo como férmions - pode acontecer com suas velocidades. A descoberta adiciona à nossa compreensão fundamental dos sistemas quânticos e pode informar o eventual desenvolvimento de dispositivos quânticos.
"Todas as partículas da natureza vêm em um de dois tipos, dependendo de sua 'rotação, 'uma propriedade quântica sem nenhum análogo real na física clássica, "disse David Weiss, Distinto Professor de Física da Penn State e um dos líderes da equipe de pesquisa. "Bósons, cujos spins são inteiros inteiros, pode compartilhar o mesmo estado quântico, enquanto os fermions, cujos spins são meio inteiros, não pode. Quando as partículas são frias ou densas o suficiente, bósons se comportam de maneira completamente diferente dos férmions. Os bósons formam 'condensados de Bose-Einstein, 'reunindo-se no mesmo estado quântico. Fermions, por outro lado, preencher os estados disponíveis um por um para formar o que é chamado de 'mar de Fermi'. "
Pesquisadores da Penn State já demonstraram experimentalmente que, quando os bósons se expandem em uma dimensão - permite que a linha de átomos se espalhe para se tornar mais longa - eles podem formar um mar de Fermi. Um artigo descrevendo a pesquisa aparece em 27 de março de 2020 na revista Ciência .
"Férmions idênticos são anti-sociais, você não pode ter mais de um no mesmo lugar, então quando eles estão muito frios eles não interagem, "disse Marcos Rigol, professor de física da Penn State e outro líder da equipe de pesquisa. "Os bósons podem estar no mesmo lugar, mas isso se torna energeticamente muito caro quando suas interações são muito fortes. Como resultado, quando restringido a se mover em uma dimensão, sua distribuição espacial pode ser semelhante à de férmions não interagentes. Em 2004, O grupo de pesquisa de David demonstrou experimentalmente esse fenômeno, que foi teoricamente previsto na década de 1960. "
Mesmo que as propriedades espaciais de bósons de interação forte e férmions não interagentes sejam as mesmas em uma dimensão, bósons ainda podem ter as mesmas velocidades que os outros, enquanto os férmions não podem. Isso se deve à natureza fundamental das partículas.
"Em 2005, Marcos, então um estudante de graduação, previu que quando bósons com forte interação se expandem em uma dimensão, sua distribuição de velocidade formará um mar de Fermi, "disse Weiss." Fiquei muito animado em colaborar com ele na demonstração deste fenômeno impressionante. "
Evolução da distribuição de velocidade de um gás aprisionado de bósons que interagem fortemente e se expandem em uma dimensão. A distribuição 'bosônica' com pico inicial (linha roxa) muda gradualmente para a distribuição 'fermiônica' arredondada (linha vermelha escura). A forma final é como o mar de Fermi, que caracterizaria os férmions na mesma armadilha inicial. Crédito:Laboratório Weiss, Estado de Penn
A equipe de pesquisa cria uma série de gases unidimensionais ultracold feitos de átomos bosônicos ('gases de Bose') usando uma rede óptica, que usa luz laser para capturar os átomos. Na armadilha de luz, o sistema está em equilíbrio e os gases de Bose que interagem fortemente têm distribuições espaciais como férmions, mas ainda tem as distribuições de velocidade dos bósons. Quando os pesquisadores desligaram parte da luz de aprisionamento, os átomos se expandem em uma dimensão. Durante esta expansão, a distribuição de velocidade dos bósons se transforma suavemente em uma que é idêntica aos férmions. Os pesquisadores podem acompanhar essa transformação conforme ela acontece.
"A dinâmica dos gases ultracold nas redes ópticas são a fonte de muitos fenômenos fascinantes que só recentemente começaram a ser explorados, "disse Rigol." Por exemplo, O grupo de Dave mostrou em 2006 que algo tão universal quanto a temperatura não é bem definido depois que os gases de Bose sofrem dinâmica em uma dimensão. Meus colaboradores e eu relacionamos esta descoberta a uma bela propriedade matemática subjacente dos modelos teóricos que descrevem seus experimentos, conhecido como 'integrabilidade'. A integrabilidade desempenha um papel central em nosso fenômeno de fermionização dinâmica recentemente observado. "
Como o sistema é "integrável, "os pesquisadores podem entendê-lo em grande detalhe e estudando o comportamento dinâmico desses gases unidimensionais, a equipe da Penn State espera abordar questões gerais da física.
"No último meio século, muitas propriedades universais de sistemas quânticos de equilíbrio foram elucidadas, "disse Weiss." Tem sido mais difícil identificar o comportamento universal em sistemas dinâmicos. Ao compreender totalmente a dinâmica dos gases unidimensionais, e, então, tornando gradualmente os gases menos integráveis, esperamos identificar princípios universais em sistemas quânticos dinâmicos. "
Dinâmico, sistemas quânticos em interação são uma parte importante da física fundamental. Eles também são cada vez mais relevantes do ponto de vista tecnológico, como muitos dispositivos quânticos reais e propostos são baseados neles, incluindo simuladores quânticos e computadores quânticos.
“Agora temos acesso experimental a coisas que, se você perguntasse a qualquer teórico trabalhando na área dez anos atrás, 'veremos isso em nossa vida?' eles teriam dito 'de jeito nenhum, '"disse Rigol.
Além de Rigol e Weiss, a equipe de pesquisa da Penn State inclui Joshua M. Wilson, Neel Malvania, Yuan Le, e Yicheng Zhang. A pesquisa foi financiada pela U.S. National Science Foundation e pelo U.S. Army Research Office. Os cálculos foram realizados no Penn State Institute for Computational and Data Sciences.
