Átomos ultra-frios ajudam a testar a teoria fundamental dos sólidos

Prévia do material em texto

1/3
Átomos ultra-frios ajudam a testar a teoria fundamental dos
sólidos
Os átomos de ytterbium frio foram usados para testar uma teoria fundamental que descreve fenômenos
em sólidos como magnetismo e supercondutividade.
Muitos fenômenos físicos ocorrem dentro de materiais sólidos, que são compostos por bilhões de
átomos e exigem teorias físicas complexas para descrever seu comportamento coletivo.
Em um novo estudo publicado na Nature Physics, uma equipe de pesquisadores da China, Japão e dos
EUA resfriou átomos de itérbio a cerca de um bilionésimo de grau para testar uma teoria fundamental
que foi desenvolvida para descrever efeitos físicos, como magnetismo ou supercondutividade, ocorrendo
em sólidos que estão por trás de muitos ramos da eletrônica moderna e da tecnologia da informação.
A física dos sólidos
As interações entre átomos de certos elementos sob condições externas apropriadas levam à formação
de uma estrutura de cristal sólida e organizada. Estes emprestam propriedades materiais, como
elasticidade, estresse, transporte de calor, condutividade, magnetismo e muitos outros.
Em geral, o comportamento dos átomos é muito complexo para ser capturado por um único quadro
teórico – diferentes teorias são necessárias para descrevê-lo. Por exemplo, para estudar o magnetismo
e a supercondutividade, os cientistas desenvolveram uma teoria chamada modelo Hubbard, que é uma
https://www.advancedsciencenews.com/an-artificial-physicist-to-unravel-the-laws-of-nature/
2/3
maneira simples de obter informações sobre como as interações entre os elétrons dão origem a esses
fenômenos.
Este modelo depende do momento angular dos núcleos atômicos, chamado de “spin”, e funciona bem
para átomos cujos núcleos têm rotação relativamente baixa. No entanto, não está claro se ele fornece
uma descrição igualmente boa dos átomos com spins nucleares mais altos - que são menos comuns - e
cuja descrição teórica usando o modelo Hubbard é mais complexa.
Para testar isso, os cientistas liderados por Yoshiro Takahashi, da Universidade de Kyoto, estudaram
átomos de ytterbium, que têm spins nucleares cinco vezes maiores do que o spin elementar de elétrons,
prótons, nêutrons e muitos núcleos atômicos.
Para poder se concentrar apenas nos efeitos magnéticos que ocorrem dentro de materiais sólidos e não
dependem de simulações computacionais, os físicos tiveram que trabalhar com uma rede artificial na
qual os átomos estavam localizados longe uns dos outros em um arranjo não natural, de modo que os
fenômenos não magnéticos podem ser ignorados enquanto as propriedades magnéticas deveriam
permanecer quase as mesmas.
Um modelo de treliça de cristal
Em seu experimento, a rede foi criada usando um campo eletromagnético configurado, chamado de rede
óptica, que mantém os átomos em posições fixas. O Modelo Hubbard prevê certas correlações ou
semelhanças nas direções dos spins dos átomos vizinhos e, ao medir essas correlações, os físicos
podem confirmar a correção do modelo.
As correlações podem ser destruídas por flutuações de temperatura, o que significa que elas se tornam
mais evidentes apenas a temperaturas muito baixas. Para estudá-los, os pesquisadores usaram uma
técnica chamada resfriamento a laser para atingir temperaturas cerca de 3 bilhões de vezes menores do
que a temperatura do vácuo do espaço – basicamente a temperatura da radiação cósmica de fundo
sobrando de quando o universo começou com o Big Bang.
As medições que foram feitas na matriz unidimensional de átomos do experimento concordaram com o
Modelo Hubbard. A descrição teórica de matrizes bidimensionais e tridimensionais, que se assemelham
às redes de cristal de materiais reais, é muito mais complicada no âmbito do modelo Hubbard, mas os
físicos ainda podem obter previsões quantitativas de correlações de spin.
Essas previsões foram encontradas em concordância razoável com a medição de tais correlações feitas
pelos cientistas.
Aplicações mais complexas
Os físicos esperam que sua estrutura artificial possa ser usada para estudar efeitos físicos sutis em
materiais reais. Isso é importante porque os cálculos envolvendo apenas uma dúzia de átomos se
tornam impossíveis para os supercomputadores modernos, enquanto a armadilha óptica tornou possível
criar e analisar uma matriz tridimensional de até 300.000 átomos.
https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html
https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html
3/3
No futuro, a equipe pretende melhorar sua configuração experimental para medir não apenas as
correlações de rotação dos vizinhos mais próximos da rede, mas também correlações de longo alcance,
que podem ser responsáveis por um comportamento magnético mais exótico e até mesmo a ocorrência
de novas fases da matéria.
Se os cientistas podem descobri-los e entender, avanços podem ser esperados na computação,
comunicações e em muitas outras áreas da tecnologia moderna.
Referência: Shintaro Taie, et al, Observação de correlações antiferromagnéticas em um modelo ultrac
frio de Hubbard SU(N), Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01725-6
Crédito da imagem: Richard Horvath on Unsplash
ASN WeeklyTradução
Inscreva-se para receber nossa newsletter semanal e receba as últimas notícias científicas diretamente
na sua caixa de entrada.
ASN WeeklyTradução
Inscreva-se no nosso boletim informativo semanal e receba as últimas notícias científicas.
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01725-6