No mundo exótico dos macroscópicas os efeitos quânticos , onde fluxo de fluidos para cima, fios conduzir sem resistência elétrica e ímãs levitar, há uma família ainda mais estranho de fenômenos "não convencional".Esses efeitos muitas vezes desafiam a explicação pelas atuais física teórica, mas uma promessa enorme para o desenvolvimento de tais tecnologias futuristas como supercondutores a temperatura ambiente, microscópios ultra-sensíveis e computação quântica.
Anúncio da semana passada por uma equipe de Stanford na revista Physical Review Letters que criou o primeiro do mundo dipolar quantum fermiônico gás do metal disprósio - "forma inteiramente nova de matéria quântica", como Stanford Física Aplicada Professor e autor Benjamin Lev colocá-lo - representa um passo importante para a compreensão do comportamento destes sistemas de partículas. E essa compreensão faz para dar um salto em direção às aplicações de aparência sobrenatural que a matéria condensada física promete.
Quando a energia térmica de algumas substâncias cai abaixo de um certo ponto crítico, é muitas vezes não mais possível considerar suas partículas componentes separadamente. Em vez disso, o material torna-se "fortemente correlacionados" e seus efeitos quânticos se tornam difíceis de entender e study.Making o material de um gás de átomos permite que normalmente só é observado em escala nanométrica para se tornar visível. Estes gases quânticos, os mais frios objetos conhecidos pelo homem, são onde os pesquisadores ver a zero viscosidade de fluidos - superfluidos - que são primos matemáticas de supercondutores.
A invenção da técnica chave para resfriar gases do zero absoluto próximo rendeu Stanford Professor EméritoSteven Chu um Prêmio Nobel em 1997. Enquanto os pesquisadores foram refrigeração gases no mundo quântico por duas décadas, criando gases fortemente correlacionados quântica provou ser um desafio muito maior.
O método de resfriamento básica não mudou significativamente desde os tempos de Chu, mas as técnicas empregadas se tornaram mais extremas.
Lev e colegas aquecido suas partículas em um cadinho para cerca de 1.300 graus Celsius e atirou-os em um poderoso vácuo. Usando o mais poderoso do mundo laser azul de onda contínua, as partículas foram então arrefecida para dentro de um milésimo de um grau de zero absoluto. Lasers subseqüentes e um resfriamento evaporativo processo acabou levando o gás até a temperatura experimental de 64 nanokelvin - muito, muito frio.
Até agora, os esforços de investigação se concentrou em bósons de refrigeração - fundamentalmente diferente de férmions, e muito mais fácil de trabalhar - e férmions fracamente magnéticos. A equipe de Stanford estendeu essas técnicas para gases feitos do átomo mais magnética: um isótopo fermiônico de disprósio com energias magnéticas 440 vezes maior do que previamente resfriados salto gases.The apresentou dois grandes desafios.
A etapa inicial - coletando partículas no "melaço ópticos" criado pelo lasers de alta potência - obras de uma partícula emocionante e, em seguida, permitindo que ele retorne ao seu estado inicial. A partícula perde energia neste processo, o arrefecimento dramaticamente. Normalmente, as substâncias que os investigadores frescos desta forma só têm dois ou três níveis de energia, para fazer uma simples "loop óptico." Disprósio, por outro lado tem mais de 140.
"Todo mundo achava que era impossível para a mais complexa de elementos", disse Lev.Although esse detalhe feito para um grande desafio tecnológico, a segunda dificuldade foi pensado para ser ainda mais fundamental.
O processo de arrefecimento evaporativo os pesquisadores esperava usar para trazer o gás para baixo para o intervalo nanokelvin depende colisões entre partículas. Colisões tanto dissipar a energia e bater partículas de alta energia para fora do sistema.
"Mas a tradição no campo é que nunca férmions idênticos colidem", said.Fermions Lev obedecer ao princípio de exclusão de Pauli , que afirma que dois férmions não podem ocupar o mesmo estado simultaneamente.Esta regra inviolável parece não permitir interações diretas entre partículas férmions.
Estado Disprósio como o elemento mais magnética foi crucial para a superação dessa aparente impossibilidade. Por causa das extraordinariamente fortes interacções dipolares magnéticas entre os átomos de disprósio, as partículas foram capazes de se arrefecer até à abaixo da temperatura crítica pela colisão de longe, apesar de ser mecanicamente quântica idênticos.
Até agora, o resultado de alta tecnologia do laboratório de Lev esforços é uma pequena bola de ultracold fluido quântico dipolar. Mas os pesquisadores têm razão para acreditar que a substância humilde irá apresentar as características aparentemente contraditórias de ambos os cristais e superfluidos.
Esta combinação pode levar a quântica cristais líquidos, ou da mecânica quântica versões de cristais líquidos que compõem a maioria dos displays eletrônicos. Ou poderia render um supersólidos - um estado hipotético de matéria que, pelo menos em teoria, ser um sólido com características superfluido.
Os investigadores já começou a desenvolver um microscópio para fazer uso de características únicas do fluido quântico dipolar de. O seu "chip de microscópio criogênico átomo" é uma sonda magnética que deve medir campos magnéticos com uma sensibilidade sem precedentes e resolução. Este tipo de sonda pode até mesmo permitir uma forma mais estável de computação quântica que usa a matéria quântica exótico para processar a informação, conhecida como topologicamente protegido quantum computer.Beyond estas aplicações, o estudo oferece físicos outra linha de ataque para a compreensão não convencionais efeitos quânticos.
"É um problema que ficou resolvido desde meados dos anos 80", disse Lev. "Vale a pena dar uma nova abordagem."
O Galaxy diário através da Universidade de Stanford e Physical Review Letters
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