Físicos da UC Santa Barbara, da Universidade de Maryland e da Universidade de Washington encontraram uma resposta para a antiga questão da física:como as interações interpartículas afetam a localização dinâmica?
"É uma questão muito antiga herdada da física da matéria condensada", disse David Weld, físico experimental da UCSB com especialidades em física atômica ultrafria e simulação quântica. A questão se enquadra na categoria de física de "muitos corpos", que questiona as propriedades físicas de um sistema quântico com várias partes em interação. Embora os problemas de muitos corpos tenham sido objeto de pesquisa e debate por décadas, a complexidade desses sistemas, com comportamentos quânticos como superposição e emaranhamento, levam a inúmeras possibilidades, impossibilitando a solução apenas por meio de cálculos. "Muitos aspectos do problema estão além do alcance dos computadores modernos", acrescentou Weld.

Felizmente, esse problema não estava além do alcance de um experimento que envolve átomos de lítio ultrafrios e lasers. Então, o que surge quando você introduz a interação em um sistema quântico desordenado e caótico? Um "estado quântico estranho", de acordo com Weld. "É um estado anômalo, com propriedades que, em certo sentido, se situam entre a previsão clássica e a previsão quântica sem interação."

Os resultados dos físicos são publicados na revista Nature Physics .

'Algo estranho está acontecendo'

Quando se trata de comportamento estranho e contra-intuitivo, o mundo quântico não decepciona. Tomemos, por exemplo, um pêndulo regular, que se comportaria exatamente como esperaríamos quando submetido a pulsos de energia.

“Se você chutá-lo e agitá-lo para cima e para baixo de vez em quando, um pêndulo clássico absorverá energia continuamente, começará a se mexer por todo o lugar e explorar todo o espaço de parâmetros caoticamente”, disse Weld.

Nos sistemas quânticos, o caos parece diferente. Em vez de movimento, a desordem pode levar as partículas a uma espécie de paralisação. E enquanto um pêndulo quântico chutado ou "rotor" pode primeiro absorver energia dos chutes - semelhante a um pêndulo clássico - com chutes repetidos, o sistema para de absorver energia e a distribuição de momento congela, no que é conhecido como um estado dinamicamente localizado. Essa localização é bastante análoga ao comportamento de um sólido eletrônico "sujo", no qual a desordem resulta em elétrons imóveis e localizados, fazendo com que o sólido passe de um metal, ou um condutor (elétrons em movimento), para um isolante.

Embora esse estado de localização tenha sido explorado por décadas no contexto de partículas únicas e não interativas, o que acontece em um sistema desordenado com múltiplos elétrons interagindo? Questões como essa e aspectos relacionados ao caos quântico estavam nas mentes de Weld e seu co-autor, o teórico da Universidade de Maryland Victor Galitski, durante uma discussão há vários anos, quando Galitski estava visitando Santa Bárbara.

"O que Victor levantou foi a questão do que acontece, se em vez desse sistema quântico puro não interagente que é estabilizado por interferência, você tem um monte desses rotores e todos eles podem colidir e interagir uns com os outros", lembrou Weld. "A localização persiste ou é destruída pelas interações?"

“Na verdade, é uma questão muito difícil que se relaciona com os fundamentos da mecânica estatística e a noção básica de ergodicidade, segundo a qual a maioria dos sistemas interagentes acaba termicamente em um estado universal”, disse Galitski.

Imagine por um momento derramando leite frio no café quente. As partículas em sua xícara, com o tempo e por meio de suas interações, se organizarão em um estado uniforme e de equilíbrio que não é apenas café quente ou leite frio. Esse tipo de comportamento - termalização - era esperado de todos os sistemas em interação. Isto é, até cerca de 16 anos atrás, quando se argumentou que se pensava que a desordem em um sistema quântico resultava em localização de muitos corpos (MBL).

"Esse fenômeno, que foi reconhecido pelo Prêmio Lars Onsager no início deste ano, é difícil de provar teoricamente ou estabelecer experimentalmente", disse Galitski.

O grupo de Weld tinha a tecnologia e o conhecimento para esclarecer a situação, literalmente. Em seu laboratório há um gás de 100.000 átomos de lítio ultrafrios suspensos em uma onda estacionária de luz. Cada átomo representa um rotor quântico que pode ser chutado por pulsos de laser.

"Podemos usar uma ferramenta chamada ressonância de Feshbach para manter os átomos camuflados uns dos outros, ou podemos fazê-los ricochetear uns nos outros com interações arbitrariamente fortes", disse Weld. Com um giro de um botão, os pesquisadores poderiam fazer os átomos de lítio passarem de line dance para mosh pit e capturar seus comportamentos.

Como esperado, quando os átomos eram invisíveis um para o outro, eles levavam o laser chutando até certo ponto, após o qual paravam de se mover em seu estado dinamicamente localizado, apesar dos chutes repetidos. Mas quando os pesquisadores discaram a interação, não apenas o estado localizado diminuiu, mas o sistema pareceu absorver energia dos chutes repetidos, imitando o comportamento caótico clássico.

No entanto, Weld apontou, enquanto o sistema quântico desordenado interagindo estava absorvendo energia, estava fazendo isso a uma taxa muito mais lenta do que um sistema clássico.

"O que estamos vendo é algo que absorve energia, mas não tão bem quanto um sistema clássico", disse ele. "E parece que a energia está crescendo aproximadamente com a raiz quadrada do tempo em vez de linearmente com o tempo. Portanto, as interações não o tornam clássico; ainda é um estado quântico estranho exibindo uma não localização anômala."

Teste de caos

A equipe de Weld usou uma técnica chamada "eco", na qual a evolução cinética é executada para frente e depois para trás para medir diretamente a maneira como as interações destroem a reversibilidade do tempo. Essa destruição da reversibilidade do tempo é uma assinatura-chave do caos quântico.

"Outra maneira de pensar sobre isso é perguntar:quanta memória do estado inicial o sistema tem depois de algum tempo?" disse o co-autor Roshan Sajjad, pesquisador de pós-graduação da equipe de lítio. Na ausência de quaisquer perturbações, como luz difusa ou colisões de gás, explicou ele, o sistema deve ser capaz de retornar ao seu estado inicial se a física for executada para trás. "Em nosso experimento, invertemos o tempo invertendo a fase dos chutes, 'desfazendo' os efeitos do primeiro conjunto normal de chutes", disse ele. “Parte do nosso fascínio era que diferentes teorias previam diferentes comportamentos sobre o resultado desse tipo de configuração interativa, mas ninguém nunca havia feito o experimento”.

“A ideia aproximada do caos é que, embora as leis do movimento sejam reversíveis no tempo, um sistema de muitas partículas pode ser tão complicado e sensível a perturbações que é praticamente impossível retornar ao seu estado inicial”, disse o principal autor Alec Cao. A reviravolta foi que, em um estado efetivamente desordenado (localizado), as interações quebraram um pouco a localização, mesmo que o sistema perdesse sua capacidade de ser revertido no tempo, explicou ele.

“Ingenuamente, você esperaria que as interações arruinassem a reversão do tempo, mas vimos algo mais interessante:um pouco de interação realmente ajuda”, acrescentou Sajjad. "Este foi um dos resultados mais surpreendentes deste trabalho."

Weld e Galitski não foram os únicos a testemunhar esse estado quântico difuso. O físico da Universidade de Washington Subhadeep Gupta e sua equipe realizaram um experimento complementar ao mesmo tempo, produzindo resultados semelhantes usando átomos mais pesados ​​em um contexto unidimensional. Esse resultado é publicado juntamente com os da UC Santa Barbara e da University of Maryland em Nature Physics .

"Os experimentos na UW operaram em um regime físico muito difícil com átomos 25 vezes mais pesados ​​restritos a se mover em apenas uma dimensão, mas também mediram um crescimento de energia mais fraco que linear de chutes periódicos, lançando luz sobre uma área onde os resultados teóricos têm estado em conflito", disse Gupta, cujo grupo colaborou com o teórico Chuanwei Zhang e sua equipe da Universidade do Texas em Dallas.

Essas descobertas, como muitos resultados importantes da física, abrem mais perguntas e abrem caminho para mais experimentos de caos quântico, onde a cobiçada ligação entre a física clássica e a quântica pode ser descoberta.

"O experimento de David é a primeira tentativa de sondar uma versão dinâmica do MBL em um ambiente de laboratório mais controlado", comentou Galitski. "Embora não tenha resolvido inequivocamente a questão fundamental de uma forma ou de outra, os dados mostram que algo estranho está acontecendo."

"Como podemos entender esses resultados no contexto do grande corpo de trabalho sobre localização de muitos corpos em sistemas de matéria condensada?" perguntou Weld. "Como podemos caracterizar esse estado da matéria? Observamos que o sistema está se deslocalizando, mas não com a esperada dependência linear do tempo; o que está acontecendo lá? Estamos ansiosos para futuros experimentos explorando essas e outras questões." + Explorar mais

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