Uma equipe de pesquisa internacional de Innsbruck e Genebra desenvolveu um novo método de termometria para medir temperaturas de gases quânticos de baixa dimensão. Com este método descobriu-se que a compressão de um gás pode levar ao resfriamento. Os resultados sobre este fenômeno contra-intuitivo acabam de ser publicados na Science Advances .



A experiência cotidiana nos diz que a compressão aquece e a expansão esfria. Qualquer pessoa que já encheu um pneu de bicicleta sabe disso. Entre na física quântica. No mundo quântico, aplicam-se regras especiais. Partículas conhecidas como bósons podem condensar-se conjuntamente e tornar-se superfluidas. Os férmions exibem o princípio de exclusão de Pauli e evitarão uns aos outros.

Em dimensões reduzidas a situação fica mais complicada. O papel das flutuações quânticas é aumentado e os bósons podem fermionizar quando as interações entre partículas são muito fortes.

Em vista disso, os sistemas quânticos em dimensionalidade reduzida tornaram-se um rico campo de pesquisa. Eles são usados ​​como plataforma para simulação quântica. Em particular, os fios quânticos unidimensionais (1D) têm atraído ampla atenção devido à miniaturização contínua dos circuitos eletrônicos.

A plataforma experimental de átomos frios confinados a potenciais de luz estreitos é usada para realizar tais fios quânticos e para simular quântica as propriedades dos elétrons sob forte confinamento.

Num trabalho experimental e teórico conjunto, realizado em Innsbruck no Departamento de Física Experimental e no Departamento de Física da Matéria Quântica da Universidade de Genebra, descobriu-se que um sistema quântico de muitos corpos em forte interação pode experimentar resfriamento quando a dimensionalidade É reduzido. Um “pneu quântico” pode, portanto, esfriar à medida que é inflado.

Este efeito é contrário às expectativas e na verdade não foi proposto ou previsto na literatura. A observação tornou-se possível com o desenvolvimento de um método de termometria que combina experimento e teoria e que funciona particularmente bem no caso de interações fortes.

“Somos capazes de medir temperaturas em 1D com uma sensibilidade de nano-Kelvin”, diz Yanliang Guo, um dos dois principais autores deste estudo. "Descobrimos que a temperatura primeiro sobe de 12,5 nK para 17 nK quando comprimimos de 3D para 2D, e depois cai para 9 nK quando comprimimos ainda mais para 1D."

O resfriamento ocorre devido à interação do forte confinamento lateral em 1D e às fortes interações no regime onde os bósons fermionizam. No experimento, a equipe verificou que interações fortes em 1D são um requisito necessário para que o resfriamento aconteça.

“Uma mudança de 12,5 para 9 nK não parece muito”, diz um dos líderes da equipe, Hanns-Christoph Nägerl. "Mas desde os primeiros resultados publicados agora neste trabalho conjunto, melhoramos significativamente e vimos temperaturas até 2 nK com sensibilidade de 1 nK."

A equipe espera que esses resultados gerem muito interesse na comunidade científica. Sistemas quânticos de muitos corpos, de baixa dimensão e fortemente correlacionados, apresentam uma grande variedade de efeitos quânticos genuínos, e sua investigação pode lançar luz sobre muitos enigmas da física, sendo o da supercondutividade de alta temperatura o mais proeminente, com consequências de longo alcance. se fosse resolvido.

Em particular, sistemas de baixo D de átomos ultrafrios são agora amplamente utilizados como plataforma para simulação quântica, e uma série de resultados muito interessantes foram obtidos recentemente para sistemas em 1D (por exemplo, em pré-termalização, fermionização dinâmica, fluxo de calor anômalo, spin -separação de carga).

“A temperatura desempenha um papel crucial para todos os sistemas quânticos e, portanto, ser capaz de medir a temperatura é de extrema importância”, diz Hepeng Yao, o principal teórico deste estudo. "No entanto, até agora, isso não foi feito para sistemas quânticos de muitos corpos 1D e 2D fortemente correlacionados e isolados."

Thierry Giamarchi, líder da equipa de Genebra, afirma:"Conceitualmente, achamos muito interessante que as temperaturas possam descer à medida que o grau de confinamento aumenta. Isto é contrário à intuição comum e mostra os efeitos subtis que podem ocorrer no mundo quântico."

Mais informações: Yanliang Guo et al, Resfriamento anômalo de bósons por redução dimensional, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6870
Fornecido pela Universidade de Innsbruck