Foto da configuração experimental usada para realizar estudos precisos da física universal em uma amostra atômica de ultra-frio. Uma miríade de elementos (incluindo lasers, componentes ópticos, bobinas de campo magnético e antenas de RF) foram usadas ​​para capturar átomos de uma fonte de vapor de potássio quente (a cerca de 400 Kelvin), resfriando a amostra de gás para um ultra-frio (em torno de 10^-8 Kelvin) na câmara de ultra-alto vácuo, manipulando os estados quânticos, realizando espectroscopia de precisão e geração de imagens de nuvens ultra-frias. (Créditos da imagem: Roman Chapurin).

O conceito de física universal é intrigante, pois permite que os pesquisadores relacionem fenômenos físicos em uma variedade de sistemas, independentemente de suas características e complexidades variáveis.

De Ingrid Fadelli para o Phys.org.

Sistemas atômicos ultra-frios são frequentemente percebidos como plataformas ideais para explorar a física universal, devido ao controle preciso de parâmetros experimentais (como força de interação, temperatura, densidade, estados quânticos, dimensionalidade e potencial de captura) que podem ser mais difíceis de ajustar em sistemas mais convencionais.

De fato, sistemas atômicos ultra-frios têm sido usados ​​para entender melhor uma infinidade de comportamentos físicos complexos, incluindo os tópicos em cosmologia, partículas, nuclear, física molecular e, principalmente, em física da matéria condensada, onde as complexidades dos fenômenos quânticos de muitos corpos são mais difíceis de investigar usando abordagens mais tradicionais.

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Entender a aplicabilidade e a robustez da física universal é, portanto, de grande interesse. Pesquisadores do National Institute of Standards and Technology (NIST) e da Universidade do Colorado em Boulder, realizaram um estudo, recentemente apresentado na Physical Review Letter, com o objetivo de testar os limites da universalidade em um sistema ultra-frio.

“Diferentemente de outros sistemas físicos, a beleza dos sistemas ultra-frios é que, às vezes, podemos descartar a importância da tabela periódica e demonstrar o fenômeno semelhante com qualquer espécie atômica escolhida [seja potássio, rubídio, lítio, estrôncio, etc.]”, disse Roman Chapurin, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “O comportamento universal é independente dos detalhes microscópicos. Compreender as limitações do fenômeno universal é de grande interesse.”

Devido à natureza de poucos corpos das interações na maioria dos sistemas ultra-frios, os pesquisadores precisam obter um melhor conhecimento da física de poucas partículas para entender melhor o complexo fenômeno dos ultra-frios em muitos corpos. A equipe do NIST e da Universidade do Colorado se interessou em explorar os limites da universalidade em um fenômeno universal de poucos corpos chamado de efeito Efimove.

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Inicialmente teorizado no contexto da física nuclear, esse fenômeno quântico exótico prevê que fortes interações de dois corpos podem mediar a atração de três corpos e formar estados de três corpos fracamente ligados, denominados trimers Efimov. De fato, há um número infinito de Efimov trimers, cujos tamanhos e energias se relacionam entre si por um fator numérico universal.

Além dessa escala universal, os pesquisadores notaram mais tarde que, em sistemas atômicos, todos os tamanhos de Efimov trimers são os mesmos (em unidades redimensionadas), independentemente da espécie atômica escolhida ou dos detalhes exatos nas interações subjacentes de dois corpos que mediam as três forças corporais na física de Efimov. O último aspecto universal da física de Efimov é conhecido como “universalidade de van der Waals” e que foi considerada verdadeira até o estudo recente.

“A importância da universalidade na física de Efimov é que somos capazes de entender e prever o panorama completo da interação de poucos corpos em escalas arbitrárias de grande comprimento, considerando apenas o amplo conhecimento da física de dois corpos”, disse Chapurin. “Nossa medida mostra que esse nem sempre é o caso, demonstrando o primeiro desvio da universalidade de van der Waals e testando os limites da física universal em um sistema de poucos corpos.”

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Chapurin e colegas realizaram medições precisas de poucos corpos para determinar as propriedades dos Efimov trimers no gás do potássio ultra-frio. O alto grau de controle sobre os parâmetros experimentais, juntamente com os baixos erros estatísticos e sistemáticos, permitiram encontrar a primeira evidência convincente de trimers Efimov não-universais. Os pesquisadores descobriram trimers Efimov com tamanhos significativamente maiores do que o previsto pela teoria universal.

“Nossas medidas, com precisão sem precedentes, revelaram um resultado surpreendente: o primeiro desvio definitivo da universalidade de van der Waals”, disse Chapurin. “Medimos os tamanhos dos Efimov trimers como diferentes do que a teoria universal prevê e diferentes de todas as medições anteriores em diferentes espécies atômicas.”

Para entender melhor suas observações, os pesquisadores desenvolveram um novo modelo teórico de três corpos. Seu modelo sugere que, em raras circunstâncias, os detalhes microscópicos — pequenos do problema (neste caso, as complexas interações de spin) podem afetar drasticamente os observáveis ​​macroscópicos, como o tamanho dos Efimov trimers.

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“Descobrimos que um modelo refinado de três corpos baseado em nossas medidas precisas de interações entre dois corpos, sem dúvida é a medida mais precisa da física de dois corpos em um sistema ultra-frio, e que isso poderia explicar o resultado não-universal observado”, explicou Chapurin. “Nesta rara ocorrência, os pequenos detalhes microscópicos e complexos das interações quebram a natureza universal da física de Efimov”.

Embora as observações experimentais apontem claramente para um forte desvio da universalidade de van der Waals, “nem tudo o que é universal está perdido”, segundo Jose D’Incao, também pesquisador do estudo. “Uma das premissas da universalidade ainda persiste: sabendo apenas como dois átomos interagem, todas as propriedades de baixa energia dos sistemas triatômicos de Efimov podem ser derivados, sem a necessidade de se referir às forças químicas de três corpos mais tradicionais e complexas.”

O estudo realizado por Chapurin e colegas reuniu novas observações fascinantes que podem aprimorar o entendimento atual da universalidade na física de poucos corpos. Embora os pesquisadores tenham sido capazes de fornecer uma explicação experimental, muitas perguntas permanecem sem resposta.

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Por exemplo, embora o artigo ofereça informações sobre o desvio observado da universalidade do primeiro estado de Efimov, o efeito dessa física microscópica complexa nos estados consecutivos de Efimov (na série infinita de Efimov) ainda é uma questão em aberto.

Os estudos desses estados consecutivos fracamente ligados requerem temperaturas cada vez mais frias (menos de um bilionésimo de grau acima do zero absoluto) que são melhor atingidas em um ambiente de microgravidade. A equipe, que faz parte da maior colaboração da JILA, espera resolver essa questão realizando experimentos futuros no Cold Atom Laboratory na Estação Espacial Internacional.

Traduzido e adaptador por Jumar Vicenth.

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Referência:

  1. CHAPURIN, Roman et al. “Precision Test of the Limits to Universality in Few-Body Physics“; Physical Review Letters, 2019. Acesoo em: 23 jan. 2020.