Os sistemas quânticos chutados podem exibir o surgimento de localização dinâmica, que restringe a absorção de energia e causa a quebra da ergodicidade, em contraste com os sistemas acionados clássicos, que apresentam comportamento caótico e acumulação difusa de energia. Há muito tempo não está claro como os estados localizados dinamicamente evoluem quando existem interações de muitos corpos.
Um novo estudo realizado pelos físicos da UC Santa Barbara e a Universidade de Maryland, e também a Universidade de Washington, encontraram uma resposta para a antiga questão da física: como as interações interpartículas afetam a localização dinâmica?
A questão refere-se à física de “muitos corpos”, que explora as características físicas de um sistema quântico com numerosos tipos de dados. Os problemas de muitos corpos têm sido objeto de pesquisa e discussão há décadas. A complexidade desses sistemas, juntamente com fenômenos quânticos como sobreposição e emaranhamento, leva a uma vasta gama de possibilidades, tornando difícil responder apenas através do cálculo.
Felizmente, esse problema não estava fora do alcance de um experimento que envolveu átomos de lítio ultrafrios e lasers. Então, segundo os cientistas, um estranho estado quântico surge quando você introduz interação em um ambiente desordenado e caótico sistema quântico.
David Weld(link is external), físico experimental da UCSB com especialidades em física atômica ultracolada e simulação quântica, disse: “É um estado anômalo, com propriedades que, em certo sentido, ficam entre a previsão clássica e a previsão quântica sem interação.”
“Quando se trata de comportamento estranho e contra-intuitivo, o mundo quântico não decepciona. Tomemos, por exemplo, um pêndulo regular, que se comportaria exatamente como esperamos quando sujeito a pulsos de energia.”
“Se você chutá-lo e sacudi-lo para cima e para baixo de vez em quando, um pêndulo clássico absorverá energia continuamente, começará a se mexer em todos os lugares e explorará todo o espaço de parâmetros de forma caótica.”
O caos nos sistemas quânticos parece diferente. A desordem pode causar uma espécie de paralisação das partículas. Além disso, embora um pêndulo quântico ou “rotor” chutado possa inicialmente absorver energia dos chutes, semelhante a um pêndulo clássico, com chutes repetidos, o sistema para de absorver energia e a distribuição de momento congela no que é conhecido como estado dinamicamente localizado.
Este estado localizado é intimamente análogo ao comportamento de um sólido eletrônico “sujo”, no qual a desordem resulta em elétrons localizados e imóveis. Faz com que um sólido passe de metal ou condutor (elétrons em movimento) para isolante.
Embora este estado de localização tenha sido explorado durante décadas no contexto de partículas únicas e não interagentes, o que acontece num sistema desordenado com múltiplos elétrons interagindo? Perguntas como essa e aspectos relacionados ao caos quântico estavam nas mentes de Weld e de seu coautor, o teórico da Universidade de Maryland, Victor Galitski, durante uma discussão há vários anos, quando Galitski estava visitando Santa Bárbara.
Solda lembrou, “Victor levantou a questão do que aconteceria se, em vez deste sistema quântico puro e não interativo que é estabilizado por interferência, você tivesse um monte desses rotores, e todos eles pudessem colidir e interagir uns com os outros. A localização persiste ou as interações a destroem?”
Galitsky disse: “Na verdade, é uma questão complicada que se relaciona com os fundamentos da mecânica estatística e a noção básica de ergodicidade, segundo a qual a maioria dos sistemas interagentes eventualmente termalizam-se num estado universal.”
“Imagine por um momento colocar leite frio em café quente. As partículas em sua xícara, com o tempo e através de suas interações, se organizarão em um estado uniforme e de equilíbrio que não é nem puramente café quente ou leite frio. Este tipo de comportamento – termalização – era esperado de todos os sistemas em interação. Isto é, até cerca de 16 anos atrás, quando se argumentou que se pensava que a desordem em um sistema quântico resultava em localização de muitos corpos (MBL).
“Este fenómeno, reconhecido pelo Prémio Lars Onsager no início deste ano, é difícil de provar teórica ou experimentalmente com rigor.”
A equipe da Weld possui a ferramenta, a tecnologia e o conhecimento para esclarecer o assunto de maneira eficaz. 100,000 átomos de lítio ultrafrios estão suspensos em uma onda estacionária de luz no gás em seu laboratório. Cada átomo representa um rotor quântico que pulsos de laser podem acender.
Usando uma ferramenta de ressonância de Feshbach, os cientistas podem manter os átomos ocultos uns dos outros ou fazê-los ricochetear uns nos outros com interações arbitrariamente fortes. Com o giro de um botão, os pesquisadores conseguiram fazer com que os átomos de lítio passassem da dança linear para o mosh pit e capturar seus comportamentos.
Como previsto, quando os átomos não conseguiam ver-se uns aos outros, eram capazes de resistir a repetidos impulsos do laser até um certo ponto, altura em que deixavam de se mover na sua forma dinamicamente localizada. No entanto, à medida que os cientistas aumentaram a interação, não só o estado confinado desapareceu, mas também parecia que o sistema estava absorvendo a energia dos chutes repetidos, simulando um comportamento clássico e caótico.
Solda disse: “No entanto, embora o sistema quântico desordenado em interação estivesse absorvendo energia, ele o fazia a uma taxa muito mais lenta do que um sistema clássico.”
“Estamos vendo algo que absorve energia, mas não tão bem quanto um sistema clássico consegue. E parece que a energia está a crescer aproximadamente com a raiz quadrada do tempo, em vez de linearmente com o tempo. Portanto, as interações não estão tornando isso clássico; ainda é um estado quântico estranho exibindo não localização anômala.”
Os cientistas usaram um método chamado eco. Neste método, a evolução cinética é executada para frente e depois para trás para medir como as interações destroem diretamente a reversibilidade do tempo. Um indicador crucial do caos quântico é a destruição da reversibilidade do tempo.
O coautor Roshan Sajjad, pesquisador estudante de pós-graduação da equipe de lítio, disse: “Outra maneira de pensar sobre isso é perguntar: quanta memória do estado inicial o sistema terá depois de algum tempo?”
“Na ausência de quaisquer perturbações, como luz dispersa ou colisões de gases, o sistema deve ser capaz de retornar ao seu estado inicial se a física for executada de trás para frente. Em nosso experimento, revertemos o tempo invertendo a fase dos chutes, ‘desfazendo’ os efeitos da primeira série normal de chutes. Parte do nosso fascínio era que diferentes teorias previam comportamentos diferentes no resultado deste tipo de configuração de interação, mas ninguém nunca tinha feito a experiência.”
O autor principal, Alec Cao, disse: “A ideia aproximada do caos é que, embora as leis do movimento sejam reversíveis no tempo, um sistema de muitas partículas pode ser tão complicado e sensível a perturbações que é praticamente impossível retornar ao seu estado inicial. A diferença foi que, num estado efetivamente desordenado (localizado), as interações quebraram um pouco a localização, mesmo quando o sistema perdeu a capacidade de ser revertido no tempo.”
Sajjad disse: “Ingenuamente, você esperaria que as interações arruinassem a reversão do tempo, mas vimos algo mais interessante: um pouco de interação ajuda! Este foi um dos resultados mais surpreendentes deste trabalho.”
Os cientistas realizaram uma experiência complementar que produziu resultados semelhantes utilizando átomos mais pesados num contexto unidimensional.
Gupta disse: “Os experimentos em UW operaram em um regime físico muito difícil, com átomos 25 vezes mais pesados restritos a se moverem apenas em uma dimensão, mas também mediram um crescimento de energia mais fraco do que linear devido a chutes periódicos, lançando luz sobre uma área onde os resultados teóricos têm conflitante.”
Solda disse: “Essas descobertas, como muitos resultados importantes da física, abrem mais questões e abrem caminho para mais experimentos de caos quântico, onde o cobiçado elo entre o clássico e o física quântica pode ser descoberto.”
Galitsky comentou, “A experiência de David é a primeira tentativa de testar uma versão dinâmica da MBL num ambiente de laboratório mais controlado. Embora não tenha resolvido inequivocamente a questão fundamental de uma forma ou de outra, os dados mostram que algo estranho está acontecendo.”
Soldar dito, “Como podemos entender esses resultados no contexto do grande conjunto de trabalhos sobre localização de muitos corpos em sistemas de matéria condensada? Como podemos caracterizar esse estado da matéria? Observamos que o sistema está se deslocalizando, mas não com a dependência linear do tempo esperada; o que está acontecendo lá? Estamos ansiosos por experiências futuras que explorem estas e outras questões.”
Jornal de referência:
- Ver Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. et al. Deslocalização dinâmica de muitos corpos em um gás ultrafrio unidimensional chutado. Nat. Física. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
