Renderização artística do experimento realizado pelos pesquisadores. No futuro, eles planejam estender seus métodos de imagem e análise para sistemas de interação, estudar emparelhamento e superfluidez em sistemas de Fermi mesoscópicos fortemente correlacionados. Créditos:Jonas Ahlstedt, Centro de Bioimagem Lund (LIBC).
O princípio de exclusão de Pauli é uma lei da mecânica quântica introduzida pelo físico austríaco Wolfgang Pauli, que oferece uma visão valiosa sobre a estrutura da matéria. Mais especificamente, o princípio de Pauli afirma que dois ou mais férmions idênticos não podem ocupar simultaneamente o mesmo estado quântico dentro de um sistema quântico.
Pesquisadores do Instituto de Física da Universidade de Heidelberg observaram recentemente esse princípio diretamente em um sistema contínuo composto de até seis partículas. Seu experimento, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , poderia pavimentar o caminho para uma melhor compreensão de sistemas de interação forte compostos de férmions.
"A visão de estudar sistemas complexos de muitos corpos começando de pequenos, bem entendido, building blocks tem uma longa história em nosso grupo, "Luca Bayha e Marvin Holten, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo recente, disse ao Phys.org por e-mail. "Isso começou com experimentos em que formamos um átomo de fermi mar, um de cada vez, culminando em um de nossos estudos mais recentes, onde pudemos observar sinais de uma transição de fase quântica em sistemas de apenas seis átomos. "
Nos últimos anos, Bayha, Holten e seus colegas se esforçaram muito para desenvolver uma nova técnica que lhes permite criar imagens de átomos individuais em sistemas mesoscópicos, para examiná-los mais detalhadamente. Em seu estudo recente, eles aplicaram esta técnica a sistemas contínuos de até seis átomos fermiônicos não interagentes pela primeira vez.
O cristal de Pauli mostra em qual configuração três átomos fermiônicos se alinham com mais frequência em uma armadilha harmônica bidimensional. As fortes correlações entre as posições relativas das partículas não interagentes são o resultado do princípio de exclusão de Pauli. A imagem foi criada analisando vários milhares de imagens experimentais com resolução de um átomo. Créditos:Selim Jochim Group, University Heidelberg.
"O principal objetivo do nosso estudo foi observar correlações de ordem superior em um sistema contínuo, "Bayha e Holten disseram." O sistema sem interação atua como um ponto de partida ideal para avaliar nosso experimento. "
Em 2016, um grupo de pesquisa liderado por Mariusz Gajda primeiro propôs que correlações de ordem superior poderiam ser visualizadas como 'cristais de Pauli'. Os cristais de Pauli são belos padrões que podem emergir em uma nuvem de férmions presos e não interagentes.
Até aqui, Bayha, Holten e seus colegas observaram esses padrões em sistemas contendo até seis partículas. No futuro próximo, Contudo, eles esperam realizar mais experimentos com mais partículas e interações fortes. Isso permitiria que eles examinassem mais o emparelhamento e a superfluidez em sistemas 2-D.
"A observação direta do princípio de Pauli em sistemas contínuos impõe requisitos bastante desafiadores ao experimento, "Bayha e Holten explicaram." O sistema tem que ser frio o suficiente e controlado em escalas de energia absoluta muito baixas. Apenas então, as funções de onda das partículas individuais se sobrepõem e sua natureza fermiônica torna-se importante. "
O cristal de Pauli mostra em qual configuração seis átomos fermiônicos se alinham com mais frequência em uma armadilha harmônica bidimensional. As fortes correlações entre as posições relativas das partículas não interagentes são o resultado do princípio de exclusão de Pauli. A imagem foi criada analisando vários milhares de imagens experimentais com resolução de átomo único. Créditos:Selim Jochim Group, University Heidelberg.
Para garantir que eles pudessem observar diretamente o princípio de Pauli em sistemas contínuos, os pesquisadores aperfeiçoaram uma técnica de resfriamento na qual foram pioneiros alguns anos atrás. Esta técnica permite a remoção de todos os átomos 'quentes' com energias mais altas de um sistema de uma forma determinística. Ao remover esses átomos, os pesquisadores foram capazes de preparar o terreno do sistema (ou seja, menor energia) com altos níveis de fidelidade.
Depois de resfriarem um sistema o suficiente, Bayha, Holten e seus colegas precisavam reunir observações com uma resolução de átomo único e alta fidelidade de detecção, para observar o princípio de Pauli. Eles conseguiram isso permitindo que a nuvem de átomos se expandisse por um determinado tempo antes de obter uma imagem.
Renderização da configuração experimental (não em escala). Os átomos estão presos em um único local de uma folha de luz atraente ("panqueca") sobreposta com uma pinça óptica firmemente focada. O sistema é capturado com resolução de átomo único por meio de uma objetiva de alta resolução (topo). Créditos:Selim Jochim Group, University Heidelberg.
"O método que usamos efetivamente amplia o sistema por um fator de 50, "Bayha e Holten disseram." Nós então iluminamos a nuvem com dois feixes de laser opostos e coletamos fótons espalhados em uma câmera extremamente sensível que detecta quase todos os fótons que atingem o chip. Juntos, esses métodos nos permitem resolver átomos individuais com probabilidades de detecção da ordem de 99%. "
Imagem da configuração experimental dos pesquisadores. A câmara de vácuo principal com a forma de um octógono está localizada no centro da imagem. Aqui, uma pinça óptica é sobreposta a uma armadilha de lâmina de luz ("panqueca") para criar uma geometria de captura bidimensional para os átomos. Créditos:Selim Jochim Group, University Heidelberg.
As observações coletadas por esta equipe de pesquisadores demonstram que a correlação entre partículas individuais também pode ser observada em sistemas contínuos, em que as funções de onda de partículas individuais se sobrepõem. Até aqui, o Bayha, Holten e seus colegas usaram a técnica que desenvolveram para observar os cristais de Pauli, que são belas visualizações do princípio de Pauli. Contudo, a mesma técnica logo poderá ser usada para explorar outros sistemas de muitos corpos fortemente correlacionados.
Imagem única de seis átomos fermiônicos confinados em uma armadilha de oscilador harmônico bidimensional. A imagem foi obtida após uma expansão do sistema para aumentar a resolução efetiva. Créditos:Selim Jochim Group, University Heidelberg.
"Agora planejamos estender o método de imagem para sistemas de interação, "Holten e Bayha disseram." Aqui, as correlações entre as partículas não surgem devido ao princípio de Pauli, mas são devido às interações. Isso nos permitirá sondar como as correlações em sistemas interagentes surgem em um nível microscópico e dar novos insights sobre matéria fermiônica e superfluidos em interação forte. "
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