Tornados quânticos são observados em átomos de nuvem de gás ultracongelados

Os efeitos das interações quânticas entre átomos “congelados” foram observados e capturados em imagens pela primeira vez — e são impressionantes. Os cientistas reduziram o movimento próprio das partículas de um fluido até que apenas as interações entre elas estivesse em ação, o que resultou em um “tornado” quântico.

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Observando interações quânticas

No mundo quântico, as partículas sub-atômicas não se comportam como na mecânica clássica, onde podemos determinar posição e velocidade de qualquer objeto. Ali, as partículas não possuem uma posição definida, mas “nuvens de possibilidades”. Ainda assim, elas interagem seguindo as próprias regras quânticas, que os cientistas querem observar mais “de perto”.

Para ver como os átomos interagem entre si no mundo quântico, a equipe de físicos prendeu e girou uma nuvem de cerca de 1 milhão de átomos de sódio com lasers e eletroímãs. Além disso, reduziram a temperatura quase ao zero absoluto — o que, na prática, significa reduzir o movimento das partículas.

Sem o movimento inerente das partículas, a interação entre elas se sobressai, como ocorre no mundo quântico. Isso significa que o experimento mostrou a física clássica dar lugar ao comportamento quântico. Isso foi possível porque a equipe fez com que os átomos se comportassem como elétrons em um campo magnético.

Essa abordagem é muito útil, porque torna o comportamento e as interações quânticas mais fáceis de observar, já que a tecnologia atual permite manipular, mapear e criar imagens tridimensionais dos átomos de uma matéria mais facilmente do que elétrons. "Podemos visualizar o que os átomos individuais estão fazendo e ver se eles obedecem à mesma física quântica", disseram os autores do estudo.

Em pesquisas anteriores, foi revelado que o procedimento resultaria em um condensado de Bose-Einstein, onde o gás começa a se comportar como uma única entidade com propriedades compartilhadas, assumindo um formato de haste, ou agulha. No novo estudo, entretanto, a equipe foi além.

Liderados pelo físico do MIT Biswaroop Mukherjee, os cientistas conseguiram capturar uma série de imagens de absorção que revelam uma mudança drástica da estrutura de haste após os átomos serem governados pela mecânica quântica. A nuvem de átomos evoluiu do condensado em forma de agulha (à esquerda da imagem), passando por uma instabilidade em forma de cobra (centro) e formando microtornados (direita).

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

O fluido foi controlado de forma que nada mais estivesse exercendo força sobre os átomos, exceto a rotação e as interações das próprias partículas. O comportamento resultante tinha propriedades semelhantes aos que os elétrons apresentam na forma de cristais de Wigner.

Se, por um lado, átomos de sólidos cristalinos são geralmente dispostos em uma estrutura de grade estacionária e repetitiva, as estruturas observadas no experimento simulam essas propriedades, embora ainda flutuassem. Elas permanecem dentro de um padrão definido, como um líquido que se comporta como sólido.

De acordo com o físico do MIT Martin Zwierlein, a evolução que vemos na imagem “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 pesquisa foi publicada na revista Nature.

Fonte: Nature; via: ScienceAlert