Lá estavam eles, em toda a sua esquisita glória quântica:átomos de lítio ultracold na armadilha ótica operada pelo estudante universitário da UC Santa Barbara, Alec Cao, e seus colegas do grupo de física atômica de David Weld. Detido por lasers de forma regular, formação de rede e "impulsionada" por pulsos de energia, esses átomos estavam fazendo coisas malucas.

"Foi um pouco bizarro, "Weld disse." Os átomos seriam bombeados em uma direção. Às vezes, eles eram bombeados em outra direção. Às vezes, eles se separavam e faziam essas estruturas que pareciam DNA. "

Esses novos e inesperados comportamentos foram os resultados de um experimento conduzido por Cao, Weld e colegas para expandir os limites de nosso conhecimento do mundo quântico. Os resultados? Novas direções no campo da engenharia quântica dinâmica, e um caminho tentador para uma ligação entre a física clássica e quântica.

Sua pesquisa é publicada na revista Pesquisa de revisão física .

"Muitas coisas engraçadas acontecem quando você sacode um sistema quântico, "disse Weld, cujo laboratório cria "sólidos artificiais" - redes de baixa dimensão de átomos de luz e ultracold - para simular o comportamento das partículas da mecânica quântica em sólidos verdadeiros mais densamente compactados quando sujeitos a forças motrizes. Os experimentos recentes foram os mais recentes em uma linha de raciocínio que remonta a 1929, quando o físico e ganhador do Prêmio Nobel Felix Bloch previu pela primeira vez que, dentro dos limites de uma estrutura quântica periódica, uma partícula quântica sob uma força constante oscilará.

"Eles realmente balançam para frente e para trás, que é uma consequência da natureza ondulatória da matéria, "Disse Weld. Embora essas oscilações de Bloch no espaço de posição fossem previstas quase um século atrás, eles foram observados diretamente apenas relativamente recentemente; na verdade, o grupo de Weld foi o primeiro a vê-los em 2018, com um método que as tornava frequentemente rápidas, sloshings infinitesimais grandes e lentos, e fácil de ver.

Uma década atrás, outros experimentos adicionaram uma dependência do tempo ao sistema oscilante de Bloch, submetendo-o a um adicional, força periódica, e encontrou uma atividade ainda mais intensa. Oscilações no topo das oscilações - oscilações super Bloch - foram descobertas.

Para este estudo, os pesquisadores levaram o sistema mais um passo adiante, modificando o espaço no qual esses átomos interagem.

"Na verdade, estamos mudando a estrutura, "disse Weld, por meio de intensidades de laser variáveis ​​e forças magnéticas externas que não só adicionaram uma dependência do tempo, mas também curvaram a rede, criando um campo de força não homogêneo. Seu método de criação de grandes, oscilações lentas, ele adicionou, "nos deu a oportunidade de ver o que acontece quando você tem um sistema oscilante Bloch em um ambiente não homogêneo."

Foi quando as coisas ficaram estranhas. Os átomos disparam para frente e para trás, às vezes se espalhando, outras vezes, criando padrões em resposta aos pulsos de energia empurrando a rede de várias maneiras.

"Poderíamos acompanhar o progresso deles com números se trabalhássemos duro para isso, "Weld disse." Mas foi um pouco difícil entender por que eles fazem uma coisa e não a outra. "

Foi uma visão de Cao, o autor principal do artigo, isso levou a uma maneira de decifrar o comportamento estranho.

"Quando investigamos a dinâmica de todos os momentos ao mesmo tempo, acabamos de ver uma bagunça porque não havia simetria subjacente, tornando a física difícil de interpretar, "disse Cao, que está começando seu quarto ano na Faculdade de Estudos Criativos da UCSB.

Para traçar a simetria, os pesquisadores simplificaram esse comportamento aparentemente caótico, eliminando uma dimensão (neste caso, tempo), utilizando uma técnica matemática inicialmente desenvolvida para observar a dinâmica não linear clássica chamada de seção de Poincaré.

"Em nosso experimento, um intervalo de tempo é definido pela forma como modificamos periodicamente a rede no tempo, "Cao disse." Quando descartamos todos os momentos 'intermediários' e olhamos para o comportamento uma vez a cada período, estrutura e beleza surgiram nas formas das trajetórias porque estávamos respeitando adequadamente a simetria do sistema físico. "Observar o sistema apenas em períodos baseados neste intervalo de tempo produziu algo como uma representação em stop-motion dos movimentos complicados, porém cíclicos, desses átomos .

"O que Alec descobriu é que esses caminhos - essas órbitas de Poincaré - nos dizem exatamente por que em alguns regimes de condução os átomos são bombeados, enquanto em outros regimes de condução os átomos se espalham e quebram a função de onda, "Weld acrescentou. Uma direção que os pesquisadores poderiam tomar a partir daqui, ele disse, é usar esse conhecimento para projetar sistemas quânticos para ter novos comportamentos ao dirigir, com aplicações em campos emergentes, como a computação quântica topológica.

"Mas outra direção que podemos tomar é verificar se podemos estudar o surgimento do caos quântico à medida que começamos a fazer coisas como adicionar interações a um sistema dirigido como este, "Weld disse.

Não é pouca coisa. Físicos por décadas têm tentado encontrar ligações entre a física clássica e quântica - uma matemática comum que pode explicar conceitos em um campo que parecem não ter análogos no outro, como o caos clássico, a linguagem para a qual não existe na mecânica quântica.

"Você provavelmente já ouviu falar do efeito borboleta - uma borboleta batendo as asas no Caribe pode causar um tufão em algum lugar do mundo, "disse Weld." Essa é realmente uma característica dos sistemas caóticos clássicos, que têm uma dependência sensível das condições iniciais. Na verdade, esse recurso é muito difícil de reproduzir em sistemas quânticos - é intrigante apresentar a mesma explicação em sistemas quânticos. Portanto, esta é talvez uma pequena parte desse corpo de pesquisa. "