Criado primeiro sistema controlado análogo à sopa cósmica primordial

O sistema criado promete fornecer novas informações sobre a física do estado sólido.

taniager

18 Março 2011 | 13h44

Os cientistas atingiram um marco na exploração de misturas de gases quânticos. O grupo liderado por Rudolf Grimm conseguiu produzir fortes interações controladas entre dois elementos fermiônicos. Esse sistema de modelo não apenas promete fornecer novas informações sobre a física do estado sólido, mas também mostra analogias intrigantes com a substância primordial após o Big Bang. Crédito: Harald Ritsch.

Os cientistas atingiram um marco na exploração de misturas de gases quânticos. O grupo liderado por Rudolf Grimm conseguiu produzir fortes interações controladas entre dois elementos fermiônicos. Esse sistema de modelo não apenas promete fornecer novas informações sobre a física do estado sólido, mas também mostra analogias intrigantes com a substância primordial após o Big Bang. Crédito: Harald Ritsch.

De acordo com a teoria, todo o universo consistia de plasma de quark-glúon nas primeiras parcelas de segundos após o Big Bang. Na Terra, esta “sopa” cósmica primordial pode ser observada em grandes aceleradores de partículas quando, por exemplo, os núcleos de átomos de chumbo são acelerados a velocidades próximas à da luz e então se chocam entre si, resultando em chuveiros de partículas que são investigadas com detectores. Agora, um grupo de físicos quânticos liderado por Rudolf Grimm e Florian Schreck do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) da Academia Austríaca de Ciências juntamente com pesquisadores italianos e australianos conseguiu pela primeira vez alcançar fortes interações controladas entre nuvens de átomos de lítio-6 e potássio-40. Assim, eles criaram um modelo de sistema que se comporta da mesma forma que o plasma quark-glúon, cuja escala de energia tem uma ordem de magnitude vinte vezes mais elevada.

Expansão hidrodinâmica

Em 2008, os físicos de Innsbruck já haviam encontrado ressonâncias Feshbach em uma mistura de gás superfrio constituído de átomos de lítio e potássio, os quais usaram para modificar as interações mecânicas quânticas entre partículas de forma controlada, ao aplicar um campo magnético. Agora, após conseguir superar todos os desafios técnicos, são os primeiros a produzir também as fortes interações entre essas partículas. “Os campos magnéticos devem  ser ajustado precisamente para um em cem mil e controlados com precisão para obter esse resultado”, explica Florian Schreck.


No experimento, os físicos prepararam os gases ultrafrios de átomos de lítio-6 (Li) e potássio-40 (K) em uma armadilha óptica e sobrepuseram estes gases, colocando a nuvem menor de átomos mais pesados de potássio no centro da nuvem de lítio. Depois de desligar a armadilha, os pesquisadores observaram a expansão dos gases quânticos em diferentes campos magnéticos. “Quando as partículas mostram uma forte interação, as nuvens de gases comportam-se hidro dinamicamente,” diz Schreck. “Um núcleo elíptico é formado no centro da nuvem de partículas, onde os átomos de potássio e lítio interagem. Além disso, as velocidades de expansão das partículas, que são diferentes inicialmente, tornam-se iguais.” De acordo com a teoria, ambos os fenômenos sugerem um comportamento hidrodinâmico da mistura de gás quântico. “Esse comportamento é o mais impressionante fenômeno observado em gases quânticos, quando as partículas interagem fortemente,” diz Rudolf Grimm. “Portanto, esta experiência abre até novas áreas de investigação no campo da física de muitos corpos”.

Novas possibilidades de experiências emocionantes

Os físicos da alta energia fizeram estas duas observações ao produzir plasma quark-glúon em aceleradores de partículas. O experimento de gás quântico de Innsbruck pode ser considerado como um sistema de modelo para investigar fenômenos cósmicos que ocorreram imediatamente após o Big Bang. “Além disso, e acima de tudo, podemos também usar este sistema para abordar muitas questões da física do estado sólido,” diz Rudolf Grimm, que pretende aprofundar a exploração da mistura de gases quânticos com seu grupo de pesquisa. “O grande objetivo é produzir condensados quânticos, como os condensados de Bose-Einstein compostos por moléculas construídas com átomos de lítio e potássio. Isso irá aumentar tremendamente nossa capacidade para conseguir formar novos estados da matéria.” Os físicos publicaram seus resultados no periódico científico Physical Review Letters.

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