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Novos experimentos usando gases unidimensionais de átomos ultrafrios revelam uma universalidade em como os sistemas quânticos compostos de muitas partículas mudam ao longo do tempo após um grande influxo de energia que tira o sistema do equilíbrio. Uma equipe de físicos da Penn State mostrou que esses gases respondem imediatamente, “evoluindo” com características que são comuns a todos os sistemas quânticos de “muitos corpos” jogados fora do equilíbrio dessa maneira. Um artigo descrevendo os experimentos aparece em 17 de maio de 2023 na revista Natureza.
“Muitos avanços importantes na física no último século se preocuparam com o comportamento de sistemas quânticos com muitas partículas”, disse David Weiss, distinto professor de física da Penn State e um dos líderes da equipe de pesquisa. “Apesar da impressionante variedade de diversos fenômenos de ‘muitos corpos’, como supercondutividade, superfluidez e magnetismo, descobriu-se que seu comportamento perto do equilíbrio é frequentemente semelhante o suficiente para que possam ser classificados em um pequeno conjunto de classes universais. Em contraste, o comportamento de sistemas que estão longe do equilíbrio rendeu poucas descrições unificadoras.”
Esses sistemas quânticos de muitos corpos são conjuntos de partículas, como átomos, que são livres para se mover em relação uns aos outros, explicou Weiss. Quando eles são uma combinação de denso e frio o suficiente, que pode variar dependendo do contexto, a mecânica quântica – a teoria fundamental que descreve as propriedades da natureza na escala atômica ou subatômica – é necessária para descrever sua dinâmica.
Sistemas dramaticamente fora de equilíbrio são rotineiramente criados em aceleradores de partículas quando pares de íons pesados colidem em velocidades próximas à velocidade da luz. As colisões produzem um plasma — composto pelas partículas subatômicas “quarks” e “glúons” — que emerge muito cedo na colisão e pode ser descrito por uma teoria hidrodinâmica — semelhante à teoria clássica usada para descrever o fluxo de ar ou outras fluidos em movimento – bem antes do plasma atingir o equilíbrio térmico local. Mas o que acontece no tempo surpreendentemente curto antes que a teoria hidrodinâmica possa ser usada?
“O processo físico que ocorre antes que a hidrodinâmica possa ser usada foi chamado de ‘hidrodinamização’”, disse Marcos Rigol, professor de física da Penn State e outro líder da equipe de pesquisa. “Muitas teorias foram desenvolvidas para tentar entender a hidrodinamização nessas colisões, mas a situação é bastante complicada e não é possível observá-la de fato como acontece nos experimentos do acelerador de partículas. Usando átomos frios, podemos observar o que está acontecendo durante hidrodinamização”.
Os pesquisadores da Penn State aproveitaram duas características especiais de gases unidimensionais, que são aprisionados e resfriados a quase zero absoluto por lasers, a fim de entender a evolução do sistema depois que ele sai do equilíbrio, mas antes que a hidrodinâmica possa ser aplicado. O primeiro recurso é experimental. As interações no experimento podem ser desligadas repentinamente em qualquer ponto após o influxo de energia, de modo que a evolução do sistema pode ser observada e medida diretamente. Especificamente, eles observaram a evolução temporal das distribuições de momento unidimensionais após o súbito resfriamento da energia.
“Átomos ultrafrios em armadilhas feitas de lasers permitem um controle e medição tão requintados que podem realmente lançar luz sobre a física de muitos corpos”, disse Weiss. “É incrível que a mesma física básica que caracteriza as colisões relativísticas de íons pesados, algumas das colisões mais energéticas já feitas em um laboratório, também apareça nas colisões muito menos energéticas que fazemos em nosso laboratório.”
A segunda característica é teórica. Uma coleção de partículas que interagem umas com as outras de maneira complicada pode ser descrita como uma coleção de “quasipartículas” cujas interações mútuas são muito mais simples. Ao contrário da maioria dos sistemas, a descrição de quasipartícula de gases unidimensionais é matematicamente exata. Ele permite uma descrição muito clara de por que a energia é rapidamente redistribuída pelo sistema depois que ele sai do equilíbrio.
“Leis conhecidas da física, incluindo leis de conservação, nesses gases unidimensionais implicam que uma descrição hidrodinâmica será precisa assim que essa evolução inicial ocorrer”, disse Rigol. “O experimento mostra que isso ocorre antes que o equilíbrio local seja alcançado. O experimento e a teoria juntos, portanto, fornecem um exemplo de modelo de hidrodinamização. Como a hidrodinamização ocorre tão rapidamente, o entendimento subjacente em termos de quase-partículas pode ser aplicado a qualquer quantum de muitos corpos sistema ao qual uma quantidade muito grande de energia é adicionada.”
Além de Weiss e Rigol, a equipe de pesquisa da Penn State inclui Yuan Le, Yicheng Zhang e Sarang Gopalakrishnan. A pesquisa foi financiada pela US National Science Foundation. Os cálculos foram realizados no Penn State Institute for Computational and Data Sciences.
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