As propriedades quânticas subjacentes à formação de cristais podem ser replicadas e investigadas com a ajuda de átomos ultracold. Uma equipe liderada pelo Dr. Axel U. J. Lode, do Instituto de Física da Universidade de Freiburg, descreveu agora na revista Cartas de revisão física como o uso de átomos dipolares permite até mesmo a realização e medição precisa de estruturas que ainda não foram observadas em nenhum material. O estudo teórico foi uma colaboração envolvendo cientistas da Universidade de Freiburg, a Universidade de Viena e a Universidade Técnica de Viena na Áustria, e o Instituto Indiano de Tecnologia em Kanpur, Índia.

Os cristais são onipresentes na natureza. Eles são formados por muitos materiais diferentes - de sais minerais a metais pesados ​​como o bismuto. Suas estruturas emergem porque uma ordem regular particular de átomos ou moléculas é favorável, porque requer a menor quantidade de energia. Um cubo com um constituinte em cada um de seus oito cantos, por exemplo, é uma estrutura cristalina muito comum na natureza. A estrutura de um cristal determina muitas de suas propriedades físicas, por exemplo, quão bem ele conduz uma corrente ou calor ou como ele se racha e se comporta quando é iluminado pela luz. Mas o que determina essas estruturas cristalinas? Eles surgem como consequência das propriedades quânticas e das interações entre seus constituintes, que, Contudo, muitas vezes são cientificamente difíceis de entender e também de medir.

Para, no entanto, chegar ao fundo das propriedades quânticas da formação de estruturas cristalinas, os cientistas podem simular o processo usando condensados ​​de Bose-Einstein - átomos ultracold aprisionados e resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto ou menos 273,15 graus Celsius. Os átomos nesses sistemas altamente artificiais e frágeis estão extremamente bem sob controle.

Com ajuste cuidadoso, os átomos ultracold se comportam exatamente como se fossem os constituintes formando um cristal. Embora construir e executar esse simulador quântico seja uma tarefa mais exigente do que apenas cultivar um cristal a partir de um determinado material, o método oferece duas vantagens principais:primeiro, os cientistas podem ajustar as propriedades do simulador quântico quase à vontade, o que não é possível para cristais convencionais. Segundo, a leitura padrão de simuladores quânticos de átomo frio são imagens contendo informações sobre todas as partículas de cristal. Para um cristal convencional, por contraste, apenas o exterior é visível, enquanto o interior - e em particular suas propriedades quânticas - é difícil de observar.

Os pesquisadores de Freiburg, Viena, e Kanpur descrevem em seu estudo que um simulador quântico para a formação de cristais é muito mais flexível quando é construído com partículas quânticas dipolares ultracold. As partículas quânticas dipolares tornam possível perceber e investigar não apenas as estruturas cristalinas convencionais, mas também arranjos que até então não eram vistos para nenhum material. O estudo explica como essas ordens de cristal emergem de uma competição intrigante entre cinética, potencial, e energia de interação e como as estruturas e propriedades dos cristais resultantes podem ser avaliadas em detalhes sem precedentes.