Novos experimentos usando gases unidimensionais aprisionados - átomos resfriados às temperaturas mais frias do universo e confinados de modo que só podem se mover em linha - se encaixam nas previsões da teoria recentemente desenvolvida da "hidrodinâmica generalizada". A mecânica quântica é necessária para descrever as novas propriedades desses gases. Alcançar um melhor entendimento de como tais sistemas com muitas partículas evoluem no tempo é uma fronteira da física quântica. O resultado pode simplificar muito o estudo de sistemas quânticos que foram excitados fora do equilíbrio. Além de sua fundamental importância, poderia, eventualmente, informar o desenvolvimento de tecnologias baseadas em quantum, que incluem computadores quânticos e simuladores, comunicação quântica, e sensores quânticos. Um artigo descrevendo os experimentos de uma equipe liderada por físicos da Pensilvânia foi publicado em 2 de setembro, 2021 no jornal Ciência .

Mesmo dentro da física clássica, onde as complexidades adicionais da mecânica quântica podem ser ignoradas, é impossível simular o movimento de todos os átomos em um fluido em movimento. Para aproximar esses sistemas de partículas, os físicos usam descrições hidrodinâmicas.

"A ideia básica por trás da hidrodinâmica é esquecer os átomos e considerar o fluido como um continuum, "disse Marcos Rigol, professor de física da Penn State e um dos líderes da equipe de pesquisa. “Para simular o fluido, acaba-se escrevendo equações acopladas que resultam da imposição de algumas restrições, como a conservação de massa e energia. Esses são os mesmos tipos de equações resolvidas, por exemplo, para simular como o ar flui quando você abre as janelas para melhorar a ventilação em uma sala. "

A matéria se torna mais complicada se a mecânica quântica estiver envolvida, como é o caso quando se deseja simular sistemas quânticos de muitos corpos que estão fora de equilíbrio.

"Sistemas quânticos de muitos corpos - que são compostos de muitas partículas em interação, como os átomos - estão no cerne do atômico, nuclear, e física de partículas, "disse David Weiss, Distinto Professor de Física da Penn State e um dos líderes da equipe de pesquisa. "Costumava ser que, exceto em limites extremos, você não podia fazer um cálculo para descrever sistemas quânticos de muitos corpos fora de equilíbrio. Isso mudou recentemente."

A mudança foi motivada pelo desenvolvimento de um arcabouço teórico conhecido como hidrodinâmica generalizada.

"O problema com esses sistemas quânticos de muitos corpos em uma dimensão é que eles têm tantas restrições em seus movimentos que as descrições hidrodinâmicas regulares não podem ser usadas, "disse Rigol." A hidrodinâmica generalizada foi desenvolvida para acompanhar todas essas restrições. "

Até agora, a hidrodinâmica generalizada só havia sido testada experimentalmente em condições em que a força das interações entre as partículas era fraca.

"Decidimos testar a teoria ainda mais, observando a dinâmica de gases unidimensionais com uma ampla gama de intensidades de interação, "disse Weiss." Os experimentos são extremamente bem controlados, portanto, os resultados podem ser comparados com precisão às previsões desta teoria.

A equipe de pesquisa usa gases unidimensionais de átomos em interação que são inicialmente confinados em uma armadilha muito rasa em equilíbrio. Então, de repente, aumentam a profundidade da armadilha em 100 vezes, que força as partículas a entrarem em colapso no centro da armadilha, fazendo com que suas propriedades coletivas mudem. Durante o colapso, a equipe mede com precisão suas propriedades, que eles podem então comparar com as previsões da hidrodinâmica generalizada.

"Nossas medições corresponderam à previsão da teoria em dezenas de oscilações de armadilha, "disse Weiss." Atualmente não há outras maneiras de estudar sistemas quânticos fora de equilíbrio por longos períodos de tempo com precisão razoável, especialmente com muitas partículas. A hidrodinâmica generalizada nos permite fazer isso para alguns sistemas como o que testamos, mas ainda precisa ser determinado até que ponto é aplicável. "