(Jonas Ahlstedt/Lund University Bioimaging Centre)

Quantas partículas você precisa antes que os átomos individuais comecem a se comportar coletivamente? De acordo com uma nova pesquisa, o número é incrivelmente baixo. Apenas seis átomos começarão a fazer a transição para um sistema macroscópico, nas condições certas.

Usando uma armadilha de laser ultrafrio especialmente projetada, os físicos observaram o precursor quântico da transição de uma fase normal para uma fase superfluida – oferecendo uma maneira de estudar a emergência do comportamento atômico coletivo e os limites dos sistemas macroscópicos.

A física de muitos corpos é o campo que busca descrever e compreender o comportamento coletivo de um grande número de partículas: um balde de água, por exemplo, ou uma lata de gás. Podemos descrever essas substâncias em termos de sua densidade ou temperatura – a maneira como a substância atua como um todo.

Eles são chamados de sistemas macroscópicos ou de muitos corpos, e não podemos entendê-los apenas estudando o comportamento de átomos ou moléculas individuais. Em vez disso, seu comportamento emerge das interações entre partículas que individualmente não têm as mesmas propriedades do sistema como um todo.

Alguns exemplos de comportamentos macroscópicos que não podem ser descritos microscopicamente incluem excitações coletivas, como os fônons que oscilam átomos em uma rede cristalina. As transições de fase são outro exemplo – quando uma substância passa de uma fase para outra – como quando o gelo derrete em líquido, por exemplo, ou quando o líquido evapora em um gás.

Os físicos há muito buscam entender como esse comportamento coletivo emerge de partículas individuais que gradualmente se unem – como o macroscópico emerge do microscópico.

Então, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Heidelberg projetou um experimento para tentar descobrir.

O experimento consistiu em um feixe de laser fortemente focalizado atuando como uma ‘armadilha’ para átomos ultracongelados de um isótopo estável de lítio, chamado lítio-6. Quando resfriado em um gás a uma fração de grau acima do zero absoluto, esse isótopo fermiônico pode se comportar como um superfluido, com viscosidade zero.

Dentro da armadilha de laser, um número muito pequeno de átomos de lítio poderia ser mantido, tornando-se efetivamente um simulador do comportamento quântico. Dentro deste sistema, a equipe poderia ajustar as interações entre os átomos usando ressonâncias de Feshbach.

Essas ressonâncias ocorrem quando a energia de dois átomos interagindo entra em ressonância com um estado de ligação molecular e podem ser usadas para alterar a força de interação entre as partículas.

Em cada experimento, a equipe introduziu até dois, seis ou 12 átomos de lítio-6 na armadilha do laser, permitindo aos pesquisadores observar quando os átomos começam a se comportar coletivamente.

“Por um lado, o número de partículas no sistema é pequeno o suficiente para descrever o sistema microscopicamente”, explicou o pesquisador Luca Bayha. “Por outro lado, os efeitos coletivos já são evidentes.”

Com os átomos dentro, os pesquisadores ajustaram a armadilha, da atração zero a uma atração tão forte que os átomos se juntaram em pares. Este é um requisito para a formação de um superfluido fermiônico – as partículas fermiônicas precisam se unir como pares de Cooper que agem como Bósons, uma partícula mais pesada que forma uma fase superfluida em temperaturas mais altas do que os férmions.

Em cada experimento, a equipe estudava quando o comportamento coletivo emergia com base no número de partículas e na força de interação entre elas. Eles descobriram que as excitações das partículas não estavam apenas ligadas à força da atração entre elas, mas que eram o precursor de poucos corpos de uma transição de fase quântica para um superfluido de pares de Cooper.

“O resultado surpreendente de nosso experimento é que apenas seis átomos mostram todas as assinaturas de uma transição de fase esperada para um sistema de muitas partículas”, disse o físico Marvin Holten.

O grau de controle que os pesquisadores obtiveram será, segundo a equipe, útil no futuro para outras pesquisas, como estudar o processo de termalização em sistemas quânticos.

Eles também serão capazes de conduzir sondas de superfluido fermiônico em um nível fundamental e investigar o surgimento de pares de Cooper em sistemas maiores.

A pesquisa da equipe foi publicada na Nature.

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