Matéria SU(N) é Cerca de Três Bilhões de Vezes Mais Frio que as Profundidades do Espaço

Físicos japoneses e norte-americanos usaram átomos cerca de 3 bilhões de vezes mais frios que o espaço interestelar para abrir um portal para um campo inexplorado do magnetismo quântico.

“A menos que uma civilização alienígena esteja fazendo experimentos como esses agora, sempre que esse experimento estiver sendo executado no Kyoto College, estará produzindo os férmions mais frios do universo”, disse Kaden Hazzard, do Rice College, autor do conceito correspondente de um estudo publicado hoje na Nature Physics. . “Os férmions não são partículas incomuns. Eles consistem em coisas como elétrons e são um dos dois tipos de partículas de que toda a matéria é feita.”

Um grupo de Kyoto liderado pelo autor do estudo, Yoshiro Takahashi, usou lasers para resfriar seus férmions, átomos de itérbio, dentro de um bilionésimo de grau do zero absoluto, a temperatura inatingível onde todo o movimento cessa. Isso é cerca de três bilhões de vezes mais frio que o espaço interestelar, que ainda é aquecido pelo brilho do Big Bang.

“A recompensa de ficar tão frio é que a física realmente muda”, afirmou Hazzard. “A física começa a se tornar mais mecânica quântica e permite observar novos fenômenos.”

Os átomos estão sujeitos às leis da dinâmica quântica, assim como elétrons e fótons. No entanto, seus comportamentos quânticos só se tornam evidentes quando são resfriados dentro de uma fração do nível do zero absoluto. Os físicos usaram o resfriamento a laser para estudar as propriedades quânticas de átomos ultrafrios por mais de um quarto de século. Os lasers são usados ​​tanto para resfriar os átomos quanto para restringir seus movimentos a redes ópticas, canais de luz 1D, 2D ou 3D que podem servir como simuladores quânticos capazes de resolver questões complexas além do alcance dos computadores convencionais.

O laboratório de Takahashi usou treliças ópticas para simular um design de Hubbard, um modelo quântico muito usado produzido em 1963 pelo físico teórico John Hubbard. Os físicos usam os modelos de Hubbard para investigar o comportamento magnético e supercondutor de produtos, especialmente aqueles em que as interações entre os elétrons criam um comportamento coletivo, um pouco como as interações coletivas de torcedores de esportes que torcem em forma de “onda” em estádios lotados.

“O termômetro que eles usam em Kyoto é uma das coisas essenciais fornecidas por nossa teoria”, afirmou Hazzard, professor associado de física e astronomia e membro da Rice Quantum Initiative. “Comparando suas medições com nossos cálculos, podemos determinar a temperatura. A temperatura recorde é alcançada graças a uma nova física empolgante que tem a ver com a simetria muito alta do sistema.”

O modelo de Hubbard simulado em Kyoto tem uma simetria única conhecida como SU(N), onde SU significa grupo unitário especial – um método matemático para descrever a simetria – e N denota os estados de spin viáveis ​​das partículas no modelo. Quanto maior o valor de N, maior a simetria do modelo e a complexidade dos comportamentos magnéticos que ele descreve. Os átomos de itérbio têm seis possíveis estados de spin. O simulador de Kyoto é o primeiro a expor correlações magnéticas em um modelo SU(six) Hubbard, que são difíceis de calcular em um computador.

“Esse é o fator real para fazer esse experimento”, disse Hazzard. “Porque estamos morrendo de vontade de conhecer a física deste design SU(N) Hubbard.”

O coautor do estudo Eduardo Ibarra-García-Padilla, um estudante de pós-graduação da equipe de pesquisa de Hazzard, disse que o modelo Hubbard visa capturar os ingredientes mínimos para entender por que produtos fortes se tornam aços, isoladores, ímãs ou supercondutores.

“Uma das questões interessantes que os experimentos podem explorar é a função da simetria”, disse Ibarra-García-Padilla. “Ter a capacidade de projetá-lo em laboratório é extraordinário. Se pudermos compreender isso, poderá nos guiar para a fabricação de materiais reais com propriedades novas e desejadas.”

A equipe de Takahashi revelou que poderia prender até 300.000 átomos em sua rede 3D. Hazzard afirmou que calcular com precisão o comportamento de até mesmo uma dúzia de fragmentos em um modelo SU(six) Hubbard está além do alcance dos supercomputadores mais poderosos. Os experimentos de Kyoto fornecem aos físicos a chance de aprender como esses complexos sistemas quânticos funcionam, observando-os em ação.

Os resultados são um passo significativo nessa direção e incluem as primeiras observações de coordenação de partículas em um modelo Hubbard SU(six), disse Hazzard.

“Neste momento, essa coordenação é de curto alcance; no entanto, à medida que as partículas são resfriadas ainda mais, estágios mais sutis e exóticos da matéria podem aparecer”, afirmou. “Um dos pontos interessantes sobre algumas dessas fases únicas é que elas não são ordenadas em um padrão óbvio e também não são aleatórias. Existem correlações, no entanto, se você olhar para 2 átomos e perguntar: ‘Eles estão associados? ‘ você não os verá. Eles são muito mais sutis. Você não pode olhar para dois ou três ou talvez 100 átomos. Você meio que precisa olhar para todo o sistema.”

Os físicos ainda não têm ferramentas capazes de medir tal comportamento no experimento de Kyoto. No entanto, Hazzard afirmou que o trabalho está em andamento para produzir os dispositivos, e o sucesso da equipe de Kyoto estimulará esses esforços.

“Esses sistemas são bastante únicos e especiais, mas a esperança é que, ao estudá-los e compreendê-los, possamos reconhecer os principais ingredientes que precisam estar presentes em materiais reais”, disse ele.

Referência:

Shintaro Taie, Observação de correlações antiferromagnéticas em um modelo ultrafrio SU (N) Hubbard, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01725-6. www.nature.com/articles/s41567-022-01725-6

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