Silvia Musolino defendeu seu doutorado. em novas descobertas teóricas em física quântica, estudando gases nas temperaturas mais baixas consistindo de muitos átomos.

Uma maneira prática de estudar a mecânica quântica é fornecida por gases que têm densidade extremamente baixa e consistem em muitos átomos, frequentemente mais de cem mil, resfriado a temperaturas próximas ao zero absoluto. Silvia Musolino estudou diferentes tipos de interação entre esses átomos, fornecendo novos caminhos para pesquisas futuras em novas tecnologias, como computadores quânticos.

As leis da mecânica quântica governam a física na escala atômica e são distinguidas pela mecânica clássica, que lida principalmente com fenômenos naturais que podemos ver, ouvir, ou toque. Contudo, até mesmo a mecânica quântica influencia nossa vida diária. Transistores, que são componentes cruciais de dispositivos eletrônicos, são baseados em efeitos da mecânica quântica. Além disso, a mecânica quântica abre caminho para novas tecnologias que podem impactar fortemente nossas vidas, como computadores quânticos.

Átomos movendo-se todos juntos

Em gases com densidade extremamente baixa, muito menor do que a densidade do ar, átomos mal conseguem se ver. O comportamento desses sistemas depende apenas de alguns parâmetros, por exemplo, densidade e temperatura. Isso torna possível construir modelos teóricos muito gerais, capazes de descrever muitos e muito diferentes sistemas.

Na mecânica quântica, os átomos se comportam como ondas com uma escala de comprimento característica, chamado de comprimento de onda térmico. Em baixas temperaturas, esta escala se torna maior do que o espaçamento entre dois átomos, e assim as ondas associadas aos átomos podem ser somadas levando a fenômenos coletivos, como a condensação de Bose-Einstein.

Quando os átomos sofrem condensação de Bose-Einstein, eles começam a se mover juntos na mesma direção e, mesmo que sejam muitos, eles se comportam como uma única entidade. Durante seu projeto de tese, Musolino analisou este fenômeno usando a função de correlação de um corpo, que quantifica a conexão mútua dos átomos dentro do condensado de Bose-Einstein.

Formação de compósitos

Além disso, ela estudou outros tipos de correlações considerando as interações entre os átomos. As interações são caracterizadas por um parâmetro chamado comprimento de espalhamento, que pode ser interpretado como a distância do átomo em que as interações efetivamente funcionam. Interações fortes significam que o comprimento de espalhamento é muito maior do que o espaçamento entre os átomos. Em particular, Musolino considerou fortes interações induzidas por uma rápida mudança no comprimento de espalhamento no tempo; isso torna as correlações dependentes do tempo e leva o sistema fora de equilíbrio.

Um átomo é um bóson se o número de nêutrons no núcleo for par, caso contrário, é um férmion. Os átomos bosônicos gostam de ficar juntos, o que significa que eles podem ocupar o mesmo estado; em vez de, férmions são "menos sociais" e dois férmions podem ocupar o mesmo estado apenas se tiverem dois spins diferentes, que é uma propriedade intrínseca da partícula.

Uma vez que a formação de compostos depende do tipo de átomos, Musolino desenvolveu um arcabouço teórico geral capaz de rastrear a dinâmica de correlações de poucos corpos em um sistema composto de muitos átomos e aplicou esse método a gases bosônicos e fermiônicos.

Neste modelo, ela também incluiu recursos experimentais, como a presença de uma armadilha de contêiner, o que torna os átomos não totalmente livres para se mover, e fez inúmeras comparações com dados experimentais existentes - uma descoberta importante. Dentro de sua teoria, ela mostrou como a presença de compostos muda a dinâmica de todo o sistema de muitos corpos, proporcionando novos caminhos para pesquisas futuras.