As transições de fase descrevem mudanças dramáticas nas propriedades de um sistema macroscópico - como a transição de um líquido para um gás. Começando com átomos ultracold individuais, Os físicos da Universidade de Heidelberg foram capazes de observar o surgimento de tal transição com um número crescente de partículas. O trabalho de pesquisa foi realizado na área de física quântica sob a direção do Prof. Dr. Selim Jochim do Instituto de Física.

A fim de formular teorias eficazes em física, detalhes microscópicos são deixados de lado em favor de quantidades macroscopicamente observáveis. Um copo de água pode ser descrito por propriedades como pressão, temperatura e densidade do fluido, ao passo que a posição e a velocidade das moléculas de água individuais são irrelevantes. Uma transição de fase descreve a mudança de um sistema macroscópico de um estado da matéria, como fluido, para um estado diferente da matéria, como gasoso. As propriedades dos sistemas macroscópicos - os chamados sistemas de muitos corpos - podem ser descritas como emergentes porque resultam da interação de componentes individuais que não possuem essas propriedades.

"Há muito tempo estou interessado em como essa mudança macroscópica dramática em uma transição de fase emerge da descrição microscópica, "afirma Selim Jochim. Para responder a esta pergunta, os pesquisadores projetaram um experimento no qual montaram um sistema a partir de átomos ultracold individuais. Usando este simulador quântico, eles investigaram como o comportamento coletivo surge em um sistema microscópico. Para este fim, eles aprisionaram até doze átomos em um feixe de laser fortemente focalizado. Neste sistema artificial, é possível sintonizar continuamente a força de interação entre os átomos de não interagir para ser a maior escala de energia no sistema. "Por um lado, o número de partículas no sistema é pequeno o suficiente para descrever o sistema microscopicamente. Por outro lado, efeitos coletivos já são evidentes, "explica Luca Bayha, pós-doutorado na equipe do Prof. Jochim.

Em seu experimento, os físicos de Heidelberg configuraram o simulador quântico de forma que os átomos se atraiam, e se a atração for forte o suficiente, formar pares. Esses pares de átomos são o ingrediente necessário para uma transição de fase para um superfluido - um estado no qual as partículas fluem sem atrito. Os experimentos atuais focaram em quando a formação de pares emerge em função da força de interação e do número de partículas. "O resultado surpreendente de nosso experimento é que apenas seis átomos mostram todas as assinaturas de uma transição de fase esperada para um sistema de muitas partículas, "acrescenta Marvin Holten, Doutoranda do grupo do Prof. Jochim.