Tecnologia Científica
Equipe estuda o surgimento da hidrodinâmica flutuante em sistemas quânticos caóticos
Pesquisadores realizaram um estudo investigando as flutuações de equilíbrio em grandes sistemas quânticos. Seu artigo, publicado na Nature Physics , descreve os resultados de simulações quânticas em larga escala realizadas...
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Ingrid Fadelli - 24/09/2024
Imagens de fluorescência de um sistema quântico de muitos corpos consistindo de átomos de césio em uma rede óptica em uma configuração inicial ordenada (esquerda) e uma configuração aleatória evoluída no tempo. Ao estudar o crescimento das flutuações neste sistema, encontramos indicações de que o sistema quântico de muitos corpos pode ser descrito macroscopicamente por uma teoria clássica simples chamada hidrodinâmica flutuante (FHD). Crédito: Julian Wienand, LMU Munich.
Pesquisadores da Ludwig-Maximilians-Universität, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) e da University of Massachusetts recentemente realizaram um estudo investigando as flutuações de equilíbrio em grandes sistemas quânticos. Seu artigo, publicado na Nature Physics , descreve os resultados de simulações quânticas em larga escala realizadas usando um microscópio de gás quântico, uma ferramenta experimental usada para obter imagens e manipular átomos individuais em gases atômicos ultrafrios.
"Imagine que você tem um grande número de partículas em uma caixa e quer prever como o sistema irá evoluir no futuro", disse Julian Wienand, coautor do artigo. "Você conhece a física dessas partículas e como elas interagem umas com as outras. Então, em princípio, você poderia configurar uma simulação gerando o movimento de cada partícula. No entanto, na prática, como há tantas partículas para acompanhar, a simulação pode falhar devido à falta de recursos computacionais. Felizmente, há uma maneira de seguir em frente: hidrodinâmica."
A teoria hidrodinâmica oferece aos físicos quânticos uma rota alternativa para simular as interações entre partículas em grandes sistemas. Se um sistema é caótico, de fato, os pesquisadores podem assumir que as partículas irão interagir de maneiras que irão garantir um estado de equilíbrio térmico local.
"Isso nos permite chegar a uma descrição macroscópica e essencialmente descrever as partículas como um campo de densidade contínua que segue equações diferenciais simples", disse Wienand. "Em geral, tal campo de densidade pode flutuar, porque microscopicamente ele é composto de partículas em movimento rápido. Como essas flutuações são aleatórias, podemos pensar nelas como ruído branco , e integrá-las em nossas equações diferenciais nos dá hidrodinâmica flutuante (FHD)."
FHD é uma extensão da teoria hidrodinâmica clássica, que também prevê os efeitos de flutuações térmicas em um sistema. Ao também considerar flutuações de pequena escala, essa estrutura teórica estendida permite que os físicos descrevam e calculem efetivamente sistemas complexos.
No geral, a teoria FHD sugere que toda a evolução de sistemas complexos depende de algumas quantidades, como uma chamada constante de difusão. Embora essa teoria tenha sido usada para estudar uma ampla gama de sistemas clássicos, não está claro se ela também se aplica a sistemas quânticos caóticos .
"Os sistemas quânticos são fundamentalmente diferentes de suas contrapartes clássicas porque suas partículas constituintes podem exibir fenômenos quânticos como emaranhamento, que desafiam a intuição cotidiana", disse Wienand. "Eles também são muito mais difíceis de calcular, então ser capaz de descrevê-los usando FHD pode nos ajudar a entender melhor esses sistemas e fazer previsões sobre eles."
Wienand e seus colegas realizaram várias simulações quânticas usando um microscópio de gás quântico de 133 Cs (césio). Essencialmente, a equipe prendeu átomos de Cs ultrafrios em uma rede óptica (ou seja, uma rede criada por luz laser). Isso produziu um sistema composto de partículas quânticas interagindo entre si, também conhecido como sistema quântico de muitos corpos.
"Graças ao nosso microscópio, podemos tirar instantâneos deste sistema com resolução de sítio único, o que significa que podemos detectar quais sítios da rede estão ocupados por um átomo e quais estão vazios", explicou Wienand. "Isso é crucial para contar o número de partículas em certas áreas do sistema e medir as estatísticas deste observável, incluindo as flutuações do número de átomos."
Os pesquisadores prepararam seu sistema em um estado excitado colocando os átomos de Cs em locais específicos, produzindo um padrão regular. Eles então reduziram abruptamente a profundidade da rede, o que permitiu que os átomos começassem a se mover e interagir uns com os outros.
"Consequentemente, o sistema quântico de muitos corpos passa por um processo de difusão e termaliza", disse Wienand. "Durante o processo de termalização, rastreamos a evolução das flutuações ao longo do tempo e as observamos crescer. Comparar a velocidade de crescimento dessas flutuações (e outros observáveis) com a teoria nos permite concluir que o sistema é bem descrito por FHD e, além disso, medir a constante de difusão."
O estudo recente desta equipe de pesquisadores oferece a primeira demonstração de que a teoria FHD pode ser usada para descrever sistemas quânticos caóticos tanto qualitativa quanto quantitativamente. Isso foi alcançado até agora em um cenário experimental simples, que poderia, em última análise, ser aplicado ao estudo de vários sistemas quânticos caóticos.
"No nosso caso, isso significa que toda a física quântica microscópica pode ser aproximada macroscopicamente por um modelo FHD difusivo clássico simples, e que toda a dinâmica macroscópica do sistema é descrita por uma única quantidade: uma constante de difusão", disse Wienand. "Isso nos fornece novas ferramentas para estudar sistemas quânticos caóticos e fazer previsões sobre seu comportamento aparentemente complexo, pelo menos em uma escala macroscópica."
As descobertas reunidas pelos pesquisadores sugerem que um paradigma bem estabelecido para sistemas clássicos também se aplica a sistemas quânticos. Esta é a ideia de que, mesmo que a física microscópica de um sistema seja complexa e caótica, seu comportamento macroscópico pode, de fato, ser muito simples.
"Outro fato surpreendente sobre a constante de difusão é que ela é uma propriedade de equilíbrio do sistema", disse Wienand. "No entanto, quando medimos, o sistema quântico de muitos corpos está fora de equilíbrio. FHD estabelece uma relação entre configurações de equilíbrio e fora de equilíbrio. Nossos resultados aproveitam essa relação e a usam como uma nova maneira de obter a constante de difusão."
Wienand e seus colegas estão atualmente conduzindo mais simulações quânticas usando seu microscópio de gás quântico Cs. Esses novos estudos podem reunir mais insights sobre os mecanismos que sustentam a dinâmica quântica de muitos corpos.
"Questões abertas para este próximo estudo incluirão: Como as flutuações se comportam em sistemas que não termalizam? E quanto a momentos mais altos além das flutuações, como assimetria e curtose? E o FHD pode ser adaptado para incluir e descrever corretamente observáveis ??mais complexos e/ou em sistemas mais exóticos?" acrescentou Wienand.
"Nossos resultados forneceram uma primeira indicação do grande potencial do FHD na descrição de sistemas quânticos, mas mais experimentos precisam ser realizados para avaliar o alcance e as limitações do FHD no reino quântico."
Mais informações: Julian F. Wienand et al, Emergência da hidrodinâmica flutuante em sistemas quânticos caóticos, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02611-z .
Informações do periódico: Nature Physics
