Um estado quântico único da matéria aparece na Colômbia

Físicos em Universidade Columbia Eles levaram as moléculas a um novo extremo ultrafrio e criaram um estado da matéria onde a mecânica quântica reina suprema.

Há um novo e excitante BEC na cidade que não tem nada a ver com bacon, ovos e queijo. Você não o encontrará na loja de departamentos local, mas no lugar mais frio de Nova York: o laboratório do físico Sebastian Weyl, da Universidade de Columbia, cujo grupo experimental é especializado em levar átomos e moléculas a temperaturas apenas frações de grau mais altas. Zero absoluto.

Escrevendo em naturezao Laboratório Weyl, com o apoio do colaborador teórico Tijs Karman da Universidade Radboud, na Holanda, conseguiu criar um estado quântico único da matéria chamado condensado de Bose-Einstein (BEC) a partir de moléculas.

Avanço nos condensados ​​de Bose-Einstein

Seu BEC é resfriado a apenas cinco nanokelvins, ou cerca de -459,66 graus Fahrenheit, é estável por dois segundos extraordinariamente longos e é feito de moléculas de sódio e césio. Como as moléculas de água, essas moléculas são polares, o que significa que carregam uma carga positiva e uma carga negativa. Weil observou que a distribuição desequilibrada da carga elétrica facilita as interações de longo alcance que constituem a física mais interessante.

A pesquisa que o Laboratório Weill está entusiasmado em realizar com o Bose-Einstein Molecular envolve a exploração de uma série de fenômenos quânticos diferentes, incluindo novos tipos de superfluidez, um estado da matéria que flui sem sofrer qualquer atrito. Eles também esperam transformar seus Bose-Einsteins em simuladores que possam recriar as enigmáticas propriedades quânticas de materiais mais complexos, como cristais sólidos.

Com a ajuda das microondas, os físicos da Columbia criaram um condensado de Bose-Einstein, um estado único da matéria, a partir de moléculas de sódio e césio. Crédito da imagem: Well Lab, Universidade Columbia/Miles Marshall

“Os condensados ​​moleculares de Bose-Einstein abrem áreas de pesquisa completamente novas, desde a verdadeira compreensão da física fundamental até o desenvolvimento de simulações quânticas poderosas”, disse ele. “Esta é uma conquista emocionante, mas na verdade é apenas o começo.”

É um sonho tornado realidade para o Weill Lab, e uma década em construção para a maior comunidade de pesquisa ultracolada.

Moléculas ultracoladas, um século em formação

A ciência dos BECs remonta a um século, aos físicos Satyendra Nath Bose e Albert Einstein. Numa série de artigos publicados em 1924 e 1925, eles previram que uma coleção de partículas resfriadas até quase a paralisação se fundiria em um átomo único e maior, com propriedades e comportamentos comuns ditados pelas leis da mecânica quântica. Se os BEC pudessem ser criados, forneceriam aos investigadores uma plataforma atraente para explorar a mecânica quântica numa escala mais acessível do que átomos ou moléculas individuais.

Demorou cerca de 70 anos desde as primeiras previsões teóricas, mas os primeiros BEC atómicos foram criados em 1995. Este feito foi reconhecido com o Prémio Nobel da Física em 2001, na altura em que Weyl começou a estudar física na Universidade de Mainz. Na Alemanha. Os laboratórios agora fabricam rotineiramente átomos de Bose-Einstein a partir de vários tipos diferentes de átomos. Esses BECs expandiram nossa compreensão de conceitos como a natureza ondulatória da matéria e dos superfluidos e levaram ao desenvolvimento de tecnologias como microscópios quânticos de gás e simuladores quânticos, para citar alguns.

Da esquerda para a direita: Cientista Pesquisador Associado Ian Stevenson; Aluno de doutorado Niccolò Bigagli; Aluno de doutorado Weijun Yuan; O estudante universitário Boris Bulatovich; estudante de doutorado Siwei Zhang; e o investigador principal Sebastian Weil. Não mostrado: Tejce Kerman. Crédito: Universidade de Columbia

Mas os átomos, no grande esquema das coisas, são relativamente simples. Eles são objetos redondos e geralmente não contêm interações que possam surgir da polaridade. Desde que os primeiros BECs atômicos foram alcançados, os cientistas queriam criar versões mais complexas feitas de moléculas. Mas mesmo moléculas diatómicas simples, compostas por dois átomos de elementos diferentes ligados entre si, revelaram-se difíceis de arrefecer abaixo da temperatura necessária para formar um BEC adequado.

O primeiro avanço ocorreu em 2008, quando Deborah Jin e Jun Yi, físicos do Instituto Gila em Boulder, Colorado, resfriaram um gás de moléculas de potássio e rubídio a cerca de 350 nanokelvin. Essas moléculas ultrafrias provaram ser úteis para realizar simulações quânticas, estudar colisões moleculares e química quântica nos últimos anos, mas para cruzar o limiar do BEC, eram necessárias temperaturas mais baixas.

Em 2023, ele criou o Will’s Lab O primeiro gás extremamente frio da molécula que escolheram, sódio e césio, usando uma combinação de resfriamento a laser e manipulação magnética, semelhante à abordagem de Jin Wei. Para deixar mais fresco, eles trouxeram microondas.

Inovações com o micro-ondas

As microondas são uma forma de radiação eletromagnética e têm uma longa história na Colômbia. Na década de 1930, o físico Isidore Isaac Rabi, que mais tarde ganhou o Prêmio Nobel de Física, fez um trabalho pioneiro em microondas que levou ao desenvolvimento de sistemas de radar aerotransportados. “Rabe foi um dos primeiros a dominar os estados quânticos das moléculas e foi um pioneiro na pesquisa de microondas”, disse Weil. “Nosso negócio segue essa tradição de 90 anos.”

Embora você possa estar familiarizado com o papel das microondas no aquecimento dos alimentos, elas também podem facilitar o processo de resfriamento. Moléculas individuais tendem a colidir umas com as outras e, como resultado, formam complexos maiores que desaparecem das amostras. As microondas podem criar pequenos escudos em torno de cada molécula, impedindo-as de colidir, uma ideia proposta por Karman, seu colega na Holanda. Com moléculas protegidas de colisões perdidas, apenas as moléculas mais quentes podem ser removidas preferencialmente da amostra, que é o mesmo princípio físico que resfria sua xícara de café quando você sopra em cima dela, explica o autor Niccolò Bigagli. As moléculas restantes ficarão mais frias e a temperatura geral da amostra diminuirá.

A equipe esteve perto de criar um BEC molecular no outono passado em trabalho publicado em Física da natureza Que introduziu o método de blindagem de microondas. Mas outro desenvolvimento experimental era necessário. Quando adicionaram um segundo campo de micro-ondas, o resfriamento tornou-se mais eficiente e o césio-sódio finalmente ultrapassou o limite BEC, uma meta que o Weil Lab alcançou desde sua inauguração na Colômbia em 2018.

“Este foi um grande final para mim”, disse Bigagli, que se formou com doutorado em física nesta primavera e foi membro fundador do laboratório. “Passamos de ainda não ter um laboratório para esses resultados surpreendentes.”

Além de reduzir as colisões, o segundo campo de micro-ondas também pode controlar a orientação das moléculas. Esta, por sua vez, é uma forma de controlar como eles interagem, algo que o laboratório está explorando atualmente. “Ao controlar essas interações dipolares, esperamos criar novos estados e fases quânticas da matéria”, disse Ian Stevenson, coautor e pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Columbia.

Um novo mundo da física quântica está se abrindo

Yi, um pioneiro da ciência ultrafrio baseado em Boulder, considera os resultados uma bela peça de ciência. “O trabalho terá implicações importantes para uma série de campos científicos, incluindo o estudo da química quântica e a exploração de materiais quânticos fortemente acoplados”, comentou. “O experimento de Weill apresenta controle preciso das interações moleculares para guiar o sistema em direção ao resultado desejado, uma conquista notável na tecnologia de controle quântico.”

Enquanto isso, a equipe de Columbia está entusiasmada por ter uma descrição teórica das interações intermoleculares validada experimentalmente. “Já temos uma boa ideia das interações neste sistema, o que também é crucial para os próximos passos, como a exploração da física dos corpos multipolares”, disse Kerman. “Criamos esquemas para controlar as reações, testamos-os teoricamente e implementamos-os em experimentos. Foi uma experiência muito legal ver essas ideias de ‘proteção’ contra micro-ondas realizadas em laboratório.”

Existem dezenas de previsões teóricas que agora podem ser testadas experimentalmente usando BECs moleculares, que o co-primeiro autor e estudante de doutorado Siwei Zhang aponta serem bastante estáveis. A maioria dos experimentos ultrafrios são realizados em um segundo, alguns duram apenas alguns milissegundos, mas as reações moleculares BEC no laboratório duram mais de dois segundos. “Isso nos permitirá investigar questões em aberto na física quântica”, disse ele.

Uma ideia é criar cristais artificiais de Bose-Einstein presos em uma rede óptica feita de lasers. Isso permitiria simulações quânticas poderosas que imitam interações em cristais naturais, observou Weil, e é uma área de foco na física da matéria condensada. Os simuladores quânticos são rotineiramente feitos usando átomos, mas os átomos têm interações de curto alcance – onde devem estar praticamente uns sobre os outros – o que limita a extensão em que podem modelar materiais mais complexos. “O BEC molecular proporcionará mais sabor”, disse Weil.

Isso inclui dimensões, disse o coautor e estudante de doutorado Weijun Yuan. “Gostaríamos de usar BECs em um sistema 2D. Quando você passa de 3D para 2D, pode sempre esperar o surgimento de novos materiais 2D que são uma área importante de pesquisa na Universidade de Columbia. Os BECs poderiam ajudar Weil e seus colegas no assunto intensivo na exploração de fenômenos quânticos, incluindo supercondutividade, superfluidez e muito mais.

“Parece que um novo mundo de possibilidades está se abrindo”, disse Will.

Referência: “Observação de condensados ​​de Bose-Einstein de partículas dipolo” por Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson e Sebastian Weyl, 3 de junho de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z