Uma equipe de pesquisa internacional de Innsbruck e Genebra investigou, pela primeira vez, o cruzamento dimensional da matéria quântica ultrafria. No regime entre uma e duas dimensões, as partículas quânticas percebem o seu mundo como sendo 1D ou 2D dependendo da escala de comprimento em que são sondadas:para distâncias curtas, o seu mundo é 1D, mas é 2D para longas distâncias.



Os resultados obtidos das medições de correlação acabam de ser publicados na Nature Physics .

Os habitantes dos centros das cidades de Manhattan ou Miami sempre souberam disso:em distâncias curtas, até a extensão de um quarteirão, o mundo dentro dos "cânions urbanos" da cidade parece ser unidimensional. Apenas uma direção é preferida. No entanto, com as ruas transversais presentes em distâncias maiores, o mundo é bidimensional:é possível que se explore a direção transversal ao viajar longe o suficiente.

Partículas quânticas, confinadas a temperaturas ultrabaixas em “cânions ópticos” com a possibilidade de criar túneis quânticos para cânions vizinhos, também “sabem” qual é a sua dimensionalidade:são 1D para distâncias curtas, mas 2D para distâncias longas. Tal comportamento foi recentemente revelado num trabalho conjunto de teoria experimental realizado por investigadores do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck e do Departamento de Física da Matéria Quântica da Universidade de Genebra.

Sistemas quânticos em dimensionalidade reduzida e em temperaturas ultrabaixas no regime de superfluidez e degeneração quântica tornaram-se um rico campo de pesquisa. Superfluidos bidimensionais podem conter excitações topológicas, e sistemas unidimensionais em interação apresentam uma infinidade de propriedades incomuns, das quais a fermionização de bósons é uma das mais impressionantes.

Pouco se sabe sobre o regime do cruzamento dimensional:como os superfluidos bosônicos 2D de forte interação se conectam aos bósons fermionizados em 1D? Usando átomos frios como plataforma de pesquisa, o cruzamento dimensional agora pode ser estudado diretamente no experimento.

Num primeiro teste, os físicos investigaram as propriedades de correlação de bósons em interação confinados a cristais de luz variáveis. Na dimensionalidade mista, eles encontraram um decaimento característico de duas inclinações para a função de correlação de um corpo, refletindo o fato de que as partículas são 1D e 2D ao mesmo tempo.

“Nosso sistema é 1D e 2D simultaneamente”, diz um dos principais autores deste trabalho, Yanliang Guo, que faz pós-doutorado em Innsbruck. "Depende de como interrogamos o sistema."

Hepeng Yao, pós-doutorado em Genebra que realizou simulação numérica e análise por métodos quânticos de Monte Carlo de última geração, concorda. “Agora podemos rastrear diretamente como a mudança contínua na dimensionalidade de um sistema afeta as propriedades coletivas de um superfluido.”

“Nossos experimentos nos trouxeram uma surpresa”, diz Yanliang Guo. "Tendo em vista a nossa modelagem numérica de alta qualidade, podemos agora usar as medições de correlação para determinar a temperatura dos nossos líquidos quânticos em 1D, 2D e entre eles, com altíssima precisão. Isso pode abrir o caminho para novas descobertas, por exemplo para a exploração da indescritível fase do vidro de Bose."

Hepeng Yao concorda:“As medições de correlação, quando feitas para bósons a temperaturas muito baixas na presença de um potencial aleatório, devem mostrar assinaturas do vidro de Bose”.

Os resultados servirão como ponto de partida para futuras pesquisas sobre matéria quântica de baixa dimensão e seu cruzamento dimensional.

Mais informações: Yanliang Guo et al, Observação do cruzamento 2D-1D em bósons ultrafrios de forte interação, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02459-3
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido pela Universidade de Innsbruck