Pesquisadores alcançam a primeira condensação de átomos de césio fora do estado fundamental

A equipe identificou duas regiões distintas do campo magnético onde a condensação é possível. Crédito:Universidade de Innsbruck

Num esforço pioneiro, investigadores da Universidade de Innsbruck, em colaboração com a Universidade de Durham, conseguiram pela primeira vez a condensação de Bose-Einstein de átomos de césio não-fundamentais. Publicado em Nature Communications , esta pesquisa abre caminho para novos experimentos com gases atômicos ultrafrios e para o estudo da física quântica de muitos corpos.

O mundo dos átomos, tipicamente caracterizado por caos e calor aleatórios, sofre uma transformação notável quando os átomos são drasticamente resfriados. Em temperaturas logo acima do zero absoluto, os átomos entram em um estado quântico único conhecido como condensado de Bose-Einstein (BEC), onde se comportam como uma entidade única e coerente. A primeira realização bem-sucedida de um BEC ocorreu em 1995, 70 anos após a previsão teórica de Albert Einstein e Satyendra Nath Bose.

Desde então, os pesquisadores têm investigado as propriedades peculiares desses gases ultrafrios para desvendar mistérios da mecânica quântica. Além disso, gases atômicos ultrafrios, conhecidos por seu alto grau de controlabilidade, serviram como bancos de ensaio inestimáveis para a física quântica de poucos e muitos corpos.

O césio, em particular, tem sido fundamental nesse sentido devido à sua rica paisagem de ressonâncias de Feshbach, permitindo o ajuste preciso das interações. Tradicionalmente, o césio foi condensado em seu estado fundamental absoluto. Agora, pesquisadores da Universidade de Innsbruck, em colaboração com uma equipe teórica da Universidade de Durham, conseguiram pela primeira vez a condensação de átomos de césio no estado mF =2 excitado por Zeeman, uma configuração não-estado fundamental.

"A obtenção da condensação de Bose-Einstein depende da manutenção de uma proporção favorável de colisões boas e ruins. As colisões elásticas desempenham um papel crucial na condução do processo de evaporação e termalização, enquanto as colisões inelásticas de dois corpos e a recombinação de três corpos podem diminuir a eficiência de resfriamento , possivelmente a ponto de o BEC não poder ser alcançado", explica Milena Horvath, primeira autora do estudo.

A equipe identificou duas regiões distintas do campo magnético onde a condensação é possível, com perdas insignificantes de dois corpos e perdas suficientemente suprimidas de três corpos. "A condensação de átomos de césio nesta configuração de estado não fundamental também revelou alguns mecanismos interessantes e inesperados de perda de três corpos", diz Horvath.

“A descoberta de mecanismos inesperados de perda de três corpos destaca as complexidades dos sistemas de átomos ultrafrios e sublinha a importância da experimentação detalhada”, acrescenta o cientista principal Hanns-Christoph Nägerl.

Esta última conquista baseia-se em duas décadas de progresso desde que o césio foi condensado pela primeira vez em Innsbruck em 2003, mostrando os avanços contínuos neste campo. “Esta conquista contribui para a rica história da pesquisa quântica em Innsbruck”, diz Hanns-Christoph Nägerl.

"À medida que continuamos nossa jornada, esperamos aprofundar nossa compreensão da física quântica de muitos corpos, como a física das impurezas e dos polarons, bem como as transições de fase topológicas e as misturas de gases quânticos."

Mais informações: Milena Horvath et al, Condensação de Bose-Einstein de átomos de césio não-estado fundamental, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47760-0
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Innsbruck

Instalação de laser menor usa novo método para superar o recorde anterior de aceleração de prótons

Novo esquema híbrido acelera o caminho para simular reações nucleares em computadores quânticos

Física