Átomos ultracold presos em armadilhas ópticas apropriadamente preparadas podem se organizar de forma surpreendentemente complexa, estruturas até então não observadas, de acordo com cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências de Cracóvia. De acordo com suas previsões mais recentes, a matéria nas redes ópticas deve formar anéis quânticos de tração e não homogêneos de maneira controlada.

Uma rede óptica é uma estrutura construída de luz, ou seja, ondas eletromagnéticas. Os lasers desempenham um papel fundamental na construção dessas redes. Cada laser gera uma onda eletromagnética com estritamente definida, parâmetros constantes que podem ser modificados quase arbitrariamente. Quando os feixes de laser são combinados corretamente, é possível criar uma rede com propriedades bem conhecidas. Por sobreposição de ondas, os mínimos de potencial podem ser obtidos, cujo arranjo permite a simulação dos sistemas e modelos bem conhecidos da física do estado sólido. A vantagem de tais sistemas preparados é a maneira relativamente simples de modificar as posições desses mínimos, o que na prática significa a possibilidade de preparar vários tipos de treliças.

"Se introduzirmos átomos adequadamente selecionados em uma área do espaço que foi preparada desta forma, eles se reunirão nas localizações de mínimos potenciais. Contudo, há uma condição importante:os átomos devem ser resfriados a temperaturas ultrabaixas. Só então sua energia será pequena o suficiente para não escapar da sutil armadilha preparada, "explica o Dr. Andrzej Ptok do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia.

Estruturas formadas por átomos (ou grupos de átomos) aprisionados na rede óptica se assemelham a cristais. Dependendo da configuração dos feixes de laser, eles podem ser um-, bidimensional ou tridimensional. Ao contrário dos cristais, eles estão livres de defeitos. O que mais, enquanto nos cristais a possibilidade de modificar a estrutura da rede é desprezível, as redes ópticas são muito fáceis de configurar. Tudo o que é necessário para alterar as propriedades da luz laser ou os ângulos de corte dos feixes. Esses recursos tornam as redes ópticas populares como simuladores quânticos. Eles podem ser usados ​​para reproduzir várias configurações espaciais de átomos ou grupos de átomos, incluindo mesmo aqueles que não existem na natureza.

Em sua pesquisa, os cientistas do IFJ PAN trabalham com átomos aprisionados em redes ópticas. Grupos de férmions, isto é, átomos com spin de 1/2 (spin é uma característica quântica que descreve a rotação de partículas) foram colocados em seus locais. Em cada local, um certo número de átomos tinha o spin orientado em uma direção (para cima), e o resto - na direção oposta (para baixo). A modificação da interação entre os átomos de modo a ser atraente leva à criação de pares de átomos, que correspondem aos pares de Cooper em supercondutores - pares de elétrons com spins opostos no mesmo local da rede.

"Os parâmetros da rede óptica podem ser usados ​​para influenciar a interação entre átomos de diferentes spin aprisionados em sítios individuais. Além disso, de tal forma um estado pode ser preparado, que imitam campos magnéticos externos aplicados ao sistema. É dado controlando as proporções entre os números de átomos de spin diferente, "diz o Dr. Konrad J. Kapcia da IFJ PAN e observa que os sistemas preparados desta forma podem reproduzir os efeitos de campos magnéticos relativamente grandes sem a necessidade de usar esses campos." Isso é possível porque sabemos como um determinado campo magnético teria impacto em a diferença entre o número de partículas com spins opostos, "explica os pesquisadores.

De acordo com as previsões dos físicos baseados em Cracóvia, uma separação de fase interessante deve ocorrer em sistemas preparados desta maneira. Como resultado, estrutura núcleo-casca formada por matéria presa em uma rede óptica, um núcleo de átomos emparelhados de uma fase, rodeado por uma concha de átomos emparelhados da segunda fase, se formará automaticamente.

“Toda a situação pode ser representada por um exemplo saboroso. Imagine um prato de arroz com molho espesso. Com o preparo adequado do prato, podemos afetar a posição relativa entre o arroz e o molho. Por exemplo, podemos preparar o sistema de forma que o arroz fique no centro, enquanto o molho forma um anel ao redor. Com os mesmos ingredientes também podemos construir o sistema inverso:no meio do prato estará o molho rodeado por um anel de arroz. No nosso caso, a placa é a armadilha óptica com átomos e seus pares, e o arroz e o molho são as duas fases, agrupando diferentes tipos de pares de átomos, "Dr. Ptok descreve.

O trabalho dos físicos do IFJ PAN, publicado em Relatórios Científicos , é de natureza teórica. Devido à sua simplicidade, Contudo, os sistemas descritos de átomos ultracold em armadilhas ópticas podem ser rapidamente verificados em experimentos de laboratório. Físicos do IFJ PAN previram que átomos ultracold presos em redes ópticas podem formar anéis quânticos com uma estrutura não homogênea.