Físicos observam incríveis ‘tornados quânticos’ formados a partir de átomos ultra frios

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Partículas formando estruturas semelhantes a tornados. Créditos: Mukherjee et al., Nature, 2022.

Por Tessa Koumoundouros
Publicado na ScienceAlert

Cientistas observaram uma demonstração impressionante da física clássica dando lugar ao comportamento quântico, manipulando um fluido de átomos de sódio ultra frios em uma formação semelhante a um tornado.

As partículas se comportam de maneira diferente no nível quântico, em parte porque, neste ponto, suas interações entre si têm mais poder sobre elas do que a energia de seu movimento.

Nesse caso, é claro, há o fato surpreendente de que as partículas quânticas não têm exatamente uma determinada localização fixa como você ou eu, o que influencia como elas interagem.

Resfriando as partículas até o mais próximo possível do zero absoluto e eliminando outras interferências, os físicos podem observar o que acontece quando essas estranhas interações acontecem, como uma equipe do MIT acabou de fazer.

“É um avanço ser capaz de ver esses efeitos quânticos diretamente”, disse o físico do MIT Martin Zwierlein.

A equipe segurou e girou uma nuvem de cerca de 1 milhão de átomos de sódio usando lasers e eletroímãs. Em pesquisas anteriores, físicos demonstraram que isso giraria a nuvem em uma longa estrutura semelhante a uma agulha, um condensado de Bose-Einstein, onde o gás começa a se comportar como uma única entidade com propriedades compartilhadas.

“Em um fluido clássico, como a fumaça do cigarro, ele fica cada vez mais fino”, disse Zwierlein. “Mas no mundo quântico, um fluido atinge o limite de sua espessura”.

No novo estudo, o físico do MIT Biswaroop Mukherjee e seus colegas foram além desse estágio, capturando uma série de imagens de absorção que revelam o que acontece depois que os átomos passam de predominantemente governados pela física clássica para quântica.

A imagem abaixo destaca as densidades de átomos ultra frios em microssegundos.

Créditos: Mukherjee et al., Nature, 2022.

A nuvem de átomos evoluiu do condensado em forma de agulha (esquerda), passou pela instabilidade em formato de serpente (centro) e formou tornados minúsculos (direita).

Existem até mesmo pequenos pontos escuros entre os cristais vizinhos (veja os ‘x’ abaixo) onde ocorrem vórtices de contrafluxo – exatamente como vemos em sistemas climáticos complexos (pense nas tempestades vizinhas em Júpiter).

Créditos: Mukherjee et al., Nature, 2022.

“Aqui, temos o clima quântico: o fluido, apenas a partir de suas instabilidades quânticas, se fragmenta nessa estrutura cristalina de nuvens menores e vórtices”, explicou Zwierlein.

“Essa evolução se conecta à ideia de como uma borboleta na China pode criar uma tempestade nos EUA, devido às instabilidades que geram turbulência. Mesmo na física clássica, isso dá origem a uma formação de padrões intrigantes, como nuvens envolvendo a Terra em belos movimentos espirais. E agora podemos estudar isso no mundo quântico”.

A equipe controlava o sistema de forma que nada mais estivesse exercendo uma força sobre o domínio atômico. Isso significava que apenas as interações das próprias partículas e sua rotação estavam em jogo. O comportamento resultante exibia propriedades supersólidas, parecidas com o que os elétrons produzem na forma de cristais de Wigner.

Enquanto os sólidos cristalinos tradicionais são geralmente compostos de átomos dispostos em uma estrutura de grade estacionária e repetida, essas estruturas continuam a flutuar, mas permanecem dentro de um padrão definível – como um líquido fingindo ser um sólido se mantendo e fluindo através de uma forma fixa.

A equipe essencialmente fez com que os átomos se comportassem como elétrons em um campo magnético. Usar átomos dessa maneira torna os fenômenos quânticos resultantes mais fáceis de manipular e observar – abrindo o caminho para ainda mais descobertas sobre este mundo louco e incrível.

“Podemos visualizar o que os átomos individuais estão fazendo e ver se eles obedecem à mesma física quântica”, disse Zwierlein.

Esta pesquisa foi publicada na Nature.