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Perturbações simplificam o estudo de ‘super fótons’

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Jun 7, 2024
Vista artística - de um condensado fotônico de Bose-Einstein (amarelo) em um banho de corante m

Um estudo da Universidade de Bonn oferece uma nova visão sobre propriedades que muitas vezes são difíceis de observar

Vista artística – de um condensado fotônico de Bose-Einstein (amarelo) em um banho de moléculas de corante (vermelho) que foi perturbado por uma fonte de luz externa (flash branco).

Milhares de partículas de luz podem se fundir em uma espécie de “superfóton” sob condições adequadas. Os físicos chamam esse estado de condensado de fótons de Bose-Einstein. Pesquisadores da Universidade de Bonn mostraram agora que esse estado quântico exótico obedece a um teorema fundamental da física. Esta descoberta agora permite medir propriedades dos condensados ​​​​de fótons de Bose-Einstein, que geralmente são de difícil acesso. O estudo foi publicado na revista “Nature Communications”.

Se muitos átomos forem resfriados a uma temperatura muito baixa confinados em um pequeno volume, eles podem se tornar indistinguíveis e se comportar como uma única “superpartícula”. Os físicos também chamam isso de condensado de Bose-Einstein ou gás quântico. Os fótons condensam com base em um princípio semelhante e podem ser resfriados usando moléculas de corante. Essas moléculas agem como pequenos refrigeradores e engolem as partículas de luz “quentes” antes de cuspi-las novamente na temperatura certa.

“Em nossos experimentos, enchemos um pequeno recipiente com uma solução corante”, explica o Dr. Julian Schmitt, do Instituto de Física Aplicada da Universidade de Bonn. “As paredes do contêiner eram altamente refletivas.” Os pesquisadores então excitaram as moléculas do corante com um laser. Isso produziu fótons que saltaram para frente e para trás entre as superfícies reflexivas. À medida que as partículas de luz colidiam repetidamente com as moléculas de corante, elas esfriavam e finalmente se condensavam em um gás quântico.

Super fótons piscam como uma vela

Porém, esse processo ainda continua depois, e as partículas do superfóton colidem repetidamente com as moléculas do corante, sendo engolidas antes de serem cuspidas novamente. Portanto, o gás quântico às vezes contém mais e às vezes menos fótons, fazendo-o piscar como uma vela. “Usamos essa oscilação para investigar se um importante teorema da física é válido em um sistema quântico de gás”, diz Schmitt.

Este chamado “teorema da regressão” pode ser ilustrado por uma analogia simples: vamos supor que o superfóton seja uma fogueira que às vezes acende aleatoriamente com muita força. Depois que o fogo arde com particular intensidade, as chamas diminuem lentamente e o fogo retorna ao seu estado original. Curiosamente, também é possível fazer com que o fogo acenda intencionalmente soprando ar nas brasas. Em termos simples, o teorema da regressão prevê que o incêndio continuará então a arder da mesma forma como se o incêndio tivesse ocorrido aleatoriamente. Isso significa que ele responde à perturbação exatamente da mesma maneira que flutua sozinho, sem qualquer perturbação.

Soprando ar em um fogo de fótons

“Queríamos descobrir se esse comportamento também se aplica aos gases quânticos”, explica Schmitt, que também é membro da área de pesquisa transdisciplinar (TRA) “Building Blocks of Matter” e do Cluster “Matter and Light for Quantum Computing” de Excelência na Universidade de Bonn. Para este efeito, os investigadores mediram primeiro a oscilação dos superfótons para quantificar as flutuações estatísticas. Eles então – falando figurativamente – sopraram ar no fogo disparando brevemente outro laser no superfóton. Esta perturbação fez com que ele se inflamasse brevemente antes de retornar lentamente ao seu estado inicial.

“Conseguimos observar que a resposta a essa perturbação suave segue precisamente a mesma dinâmica das flutuações aleatórias sem perturbação”, diz o físico. “Desta forma fomos capazes de demonstrar pela primeira vez que este teorema também se aplica a formas exóticas de matéria como gases quânticos.” Curiosamente, este também é o caso de perturbações fortes. Os sistemas geralmente respondem de maneira diferente a perturbações mais fortes do que a perturbações mais fracas – um exemplo extremo é uma camada de gelo que se quebra repentinamente quando a carga colocada sobre ela se torna muito pesada. “Isso é chamado de comportamento não linear”, diz Schmitt. “No entanto, o teorema permanece válido nestes casos, como pudemos agora demonstrar juntamente com os nossos colegas da Universidade de Antuérpia.”

As descobertas são de enorme relevância para a pesquisa fundamental com gases quânticos fotônicos porque muitas vezes não se sabe exatamente como eles irão piscar em seu brilho. É muito mais fácil determinar como o superfóton responde a uma perturbação controlada. “Isso nos permite aprender sobre propriedades desconhecidas sob condições muito controladas”, explica Schmitt. “Isso nos permitirá, por exemplo, descobrir como novos materiais fotônicos constituídos por muitos superfótons se comportam em seu núcleo.”

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