Uma nova fase da matéria, pensado para ser compreensível apenas usando a física quântica, pode ser estudado com métodos clássicos muito mais simples.

Pesquisadores da Universidade de Cambridge usaram modelagem por computador para estudar novas fases potenciais da matéria conhecidas como cristais de tempo discreto pré-termal (DTCs). Pensava-se que as propriedades dos DTCs pré-termais dependiam da física quântica:as estranhas leis que regem as partículas na escala subatômica. Contudo, os pesquisadores descobriram que uma abordagem mais simples, baseado na física clássica, pode ser usado para entender esses fenômenos misteriosos.

Compreender essas novas fases da matéria é um passo em direção ao controle de sistemas complexos de muitos corpos, uma meta de longa data com várias aplicações potenciais, como simulações de redes quânticas complexas. Os resultados são relatados em dois artigos conjuntos em Cartas de revisão física e Revisão Física B .

Quando descobrimos algo novo, seja um planeta, um animal, ou uma doença, podemos aprender mais sobre ele examinando-o cada vez mais de perto. Teorias mais simples são tentadas primeiro, e se eles não funcionam, teorias ou métodos mais complicados são tentados.

"Isso foi o que pensamos ser o caso com DTCs pré-termais, "disse Andrea Pizzi, um Ph.D. candidato no Laboratório Cavendish de Cambridge, primeiro autor em ambos os artigos. "Achamos que eram fenômenos fundamentalmente quânticos, mas acontece que uma abordagem clássica mais simples nos permite aprender mais sobre eles. "

DTCs são sistemas físicos altamente complexos, e ainda há muito a aprender sobre suas propriedades incomuns. Por exemplo, como um cristal espacial padrão quebra a simetria translacional do espaço porque sua estrutura não é a mesma em todos os lugares do espaço, Os DTCs quebram uma simetria de translação de tempo distinta porque, quando 'sacudido' periodicamente, sua estrutura muda a cada 'empurrão'.

"Você pode pensar nisso como um pai empurrando uma criança no balanço de um parquinho, "disse Pizzi." Normalmente, o pai empurra o filho, a criança vai balançar para trás, e o pai então os empurra novamente. Na física, este é um sistema bastante simples. Mas se vários balanços estivessem no mesmo playground, e se as crianças neles estivessem de mãos dadas, então o sistema se tornaria muito mais complexo, e comportamentos muito mais interessantes e menos óbvios poderiam surgir. Um DTC pré-termal é um desses comportamentos, em que os átomos, agindo como uma espécie de balanço, apenas 'volte' a cada segundo ou terceiro empurrão, por exemplo."

Previsto pela primeira vez em 2012, DTCs abriram um novo campo de pesquisa, e foram estudados em vários tipos, inclusive em experimentos. Entre estes, DTCs pré-térmicos são sistemas relativamente simples de realizar que não aquecem rapidamente como seria normalmente esperado, mas, em vez disso, exibem comportamento cristalino por muito tempo:quanto mais rápido eles são abalados, quanto mais eles sobrevivem. Contudo, pensava-se que eles dependem de fenômenos quânticos.

"Desenvolver teorias quânticas é complicado, e mesmo quando você o gerencia, suas capacidades de simulação são geralmente muito limitadas, porque o poder computacional necessário é incrivelmente grande, "disse Pizzi.

Agora, Pizzi e seus co-autores descobriram que, para DTCs pré-termais, eles podem evitar o uso de abordagens quânticas excessivamente complicadas e, em vez disso, usar abordagens clássicas muito mais acessíveis. Por aqui, os pesquisadores podem simular esses fenômenos de uma forma muito mais abrangente. Por exemplo, eles agora podem simular muitos outros constituintes elementares, obter acesso aos cenários mais relevantes para os experimentos, como em duas e três dimensões.

Usando uma simulação de computador, os pesquisadores estudaram muitos giros em interação - como as crianças nos balanços - sob a ação de um campo magnético periódico - como o pai empurrando o balanço - usando a dinâmica hamiltoniana clássica. A dinâmica resultante mostrou de forma limpa e clara as propriedades dos DTCs pré-termais:por um longo tempo, a magnetização do sistema oscila com um período maior que o do drive.

"É surpreendente como esse método é limpo, "disse Pizzi." Porque nos permite olhar para sistemas maiores, deixa muito claro o que está acontecendo. Ao contrário de quando usamos métodos quânticos, não temos que lutar com este sistema para estudá-lo. Esperamos que esta pesquisa estabeleça a dinâmica hamiltoniana clássica como uma abordagem adequada para simulações em grande escala de sistemas complexos de muitos corpos e abra novos caminhos no estudo de fenômenos de não-equilíbrio, dos quais DTCs pré-termais são apenas um exemplo. "

Co-autores de Pizzi nos dois artigos, que trabalharam recentemente em Cambridge, são o Dr. Andreas Nunnenkamp, agora na Universidade de Viena, e Dr. Johannes Knolle, agora na Universidade Técnica de Munique.

Enquanto isso, na UC Berkeley, O grupo de Norman Yao também tem usado métodos clássicos para estudar DTCs pré-termais. Notavelmente, as equipes de Berkeley e Cambridge abordaram simultaneamente a mesma questão. O grupo de Yao publicará seus resultados em breve.