Pela primeira vez pesquisadores veem átomos se afastando.

Pela primeira vez pesquisadores vêm átomos individuais se afastarem um do outro ou de outros pares.

Se você aprisionar um gás e tentar imaginar seus átomos usando os microscópios mais poderosos de hoje você vai ver mais do que uma sombra borrada. Átomos voam por aí a velocidade da luz e são difíceis de identificar em temperatura ambiente.

Se, entretanto, esses átomos são mergulhados em temperaturas ultra frias ele diminui sua agitação e os cientistas podem começar a estudar como eles formam estados exóticos de matéria como superfluidos supercondutores e magnetos quânticos.

Físicos do MIT conseguiram esfriar um gás de átomos de potássio para alguns nanokelvins, apenas um cabelo acima do zero absoluto, e prenderam os átomos dentro de uma folha tridimensional óptica em forma de rede criada para o entrecruzamento de lasers. Usando microscópio de alta resolução tiveram imagens dos átomos congelados residindo na rede.

Olhando a correlação entre os átomos e suas posições em centenas dessas imagens, os átomos individuais interagem de algumas maneiras peculiares baseados em suas posições na rede. Alguns átomos exibiram comportamento anti-social e se afastaram um do outro enquanto um bando se manteve junto com alterações em suas orientações magnéticas. Outros pareciam carregar um ao outro criando pares de átomos ao lado de espaços vazios ou buracos.

O time acredita que essas correlações espaciais podem colocar luz na origem do comportamento da supercondução.

Supercondutores são materiais incríveis no qual elétrons se emparelham e viajam sem fricção, ou seja, sem atrito. Isso significa que não há perda de energia em sua jornada. Se supercondutores podem ser designados a existir em temperatura ambiente eles poderiam iniciar uma inteiramente nova e incrivelmente eficiente era, para qualquer coisa que dependa de energia elétrica.

Martin Zwerlein, professor de física e pesquisador principal no MS diz que resultados encontrados experimentalmente por sua equipe podem ajudar a identificar as condições ideais para induzir a supercondutividade.

“Aprendendo com este modelo atômico nós podemos entender o que realmente está acontecendo nesse supercondutores e o que podemos fazer para alcançar a temperatura ambiente”

Hoje é possível modelar o comportamento de supercondutores em temperaturas altas mesmo usando mais poderoso computador no mundo pois as interações entre elétrons são muito forte. Pensaram então que ao invés de usar um simulador quântico usar um gás como meio pelo qual os elétrons superconduzem em um sólido.

Primeiro, em 1925, o físico austríaco Wolfgang Pauli formulou o que agora é chamado de princípio de exclusão de Pauli, este diz que dois elétrons não podem ocupar o mesmo estado quântico - como spin, ou posição - ao mesmo tempo. Pauli também postulou que os elétrons mantêm uma certa esfera do espaço pessoal, conhecida como o "buraco Pauli".

Sua teoria acabou por explicar a tabela periódica de elementos: Diferentes configurações de elétrons dão origem a elementos específicos, fazendo átomos de carbono, por exemplo, distintos de átomos de hidrogênio.

O físico italiano Enrico Fermi logo percebeu que esse mesmo princípio poderia ser aplicado não apenas aos elétrons, mas também aos átomos de um gás: A medida em que os átomos gostam de manter a si mesmos podem definir as propriedades, como a compressibilidade de um gás.

"Ele também percebeu que esses gases a baixas temperaturas se comportariam de maneiras peculiares", diz Zwierlein.

O físico britânico John Hubbard então incorporou o princípio de Pauli em uma teoria que agora é conhecida como o modelo de Fermi-Hubbard, que é o modelo mais simples de átomos que interagem, saltando através de uma rede. Hoje, o modelo é pensado para explicar a base para a supercondutividade. E embora os teóricos tenham sido capazes de usar o modelo para calcular o comportamento dos elétrons supercondutores, eles só têm sido capazes de fazê-lo em situações onde os elétrons interagem fracamente uns com os outros.

"Essa é uma grande razão pela qual não entendemos supercondutores de alta temperatura, onde os elétrons estão interagindo fortemente", diz Zwierlein. "Não há nenhum computador clássico no mundo que possa calcular o que acontecerá em temperaturas muito baixas aos elétrons interagentes. Suas correlações espaciais também nunca foram observadas in situ, porque ninguém tem um microscópio para examinar cada elétron".

Esculpir espaço pessoal

A equipe de Zwierlein procurou projetar uma experiência para realizar o modelo de Fermi-Hubbard com átomos, na esperança de ver o comportamento de átomos ultrafrios análogo ao dos elétrons em supercondutores de alta temperatura.

O grupo tinha previamente concebido um protocolo experimental para primeiro arrefecer um gás de átomos para perto de zero absoluto, em seguida, prendê-los em um plano bidimensional de uma rede gerada a laser. Em tais temperaturas ultrafrias, os átomos retardaram para baixo bastante para que os investigadores os capturem nas imagens pela primeira vez, como interagiram através da estrutura.

Nas bordas da rede, onde o gás estava mais diluído, os pesquisadores observaram átomos formando buracos Pauli, mantendo uma certa quantidade de espaço pessoal dentro da rede. "Eles têm um espaço para si onde é muito improvável encontrar um segundo cara dentro desse espaço", diz Zwierlein.

Onde o gás estava mais comprimido, a equipe observou algo inesperado: os átomos eram mais propensos a ter vizinhos próximos, e de fato estavam muito apertados. Estes átomos exibiram orientações magnéticas alternadas."Essas são belas correlações antiferromagnéticas, com um padrão de xadrez, para cima, para baixo, para cima, para baixo", descreve Zwierlein.

Ao mesmo tempo, esses átomos foram encontrados muitas vezes em cima uns dos outros, criando um par de átomos ao lado de um quadrado de rede vazia. Isto, lembra Zwierlein, é uma reminiscência de um mecanismo proposto para a supercondutividade a alta temperatura, em que os pares de elétrons que ressoam entre locais de retículo adjacentes podem passar através do material sem atrito se houver apenas a quantidade certa de espaço vazio para deixá-los passar.

Em última análise, ele diz que as experiências da equipe em gases podem ajudar os cientistas a identificar condições ideais para a supercondutividade a surgir em sólidos. Zwierlein explica: "Para nós, esses efeitos ocorrem em nanokelvin porque estamos trabalhando com gases atômicos diluídos.Se você tem uma matéria densa, esses mesmos efeitos podem muito bem acontecer à temperatura ambiente".

Em última análise, ele diz que as experiências da equipe em gases podem ajudar os cientistas a identificar condições ideais para uma supercondutividade a surgir em sólidos. Zwierlein explica: "Para nós, os resultados estão dentro de uma nanotecnologia, porque são trabalhados com gases atômicos diluídos.

Atualmente, a equipe tem sido capaz de atingir temperaturas ultrafrias em gases que são equivalentes a centenas de kelvins em sólidos. Para induzir a supercondutividade, Zwierlein diz que o grupo terá que refrigerar seus gases por um outro fator de cinco ou mais. "Ainda não jogamos todos os nossos truques, por isso pensamos que podemos ficar mais frios", diz ele.

Fonte: http://dx.doi.org/10.1126/science.aag3349

http://phys.org/news/2016-09-individual-atoms-bunch-pairs.html

#FísicaQuantica #Átomos