Departamento de Física, Universidade Ludwig Maximilian de Munique, Munique, Alemanha
Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Munique, Munique, Alemanha
&bala; Física 17, 178
Ao controlar o movimento e a interação de átomos individuais em um conjunto de átomos frios, os pesquisadores produziram um estado topológico correlacionado da matéria, chamado estado Corridor quântico fracionário.
F. Grusdt/LMU Munique; APS/Carin Cain
Figura 1: A agitação de um par de átomos fermiônicos ultrafrios imitou o efeito de um campo magnético e criou um “coquetel”: um estado fortemente correlacionado cuja função de onda corresponde à dos elétrons em um estado Corridor quântico fracionário.
F. Grusdt/LMU Munique; APS/Carin Cain
Figura 1: A agitação de um par de átomos fermiônicos ultrafrios imitou o efeito de um campo magnético e criou um “coquetel”: um estado fortemente correlacionado cuja função de onda corresponde à dos elétrons em um estado Corridor quântico fracionário.
“Mais é diferente”, observou o físico Philip Anderson. Ele quis dizer que o comportamento coletivo de sistemas quânticos de muitos corpos pode produzir efeitos físicos inteiramente novos, por exemplo, o surgimento de excitações de baixa energia transportando uma fração do quantum de carga elétrica – a carga de um elétron. Para ver esse comportamento acontecer no nível mais elementary das partículas individuais, os cientistas construíram simuladores quânticos – máquinas que controlam átomos individuais para imitar as propriedades de conjuntos de elétrons de muitos corpos. Agora, Philipp Lunt, da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, e seus colaboradores estão consideravelmente mais perto de ver como surgem as cobranças fracionárias (1). Eles esvaziaram um copo metafórico de coquetel (uma pinça óptica cheia de férmions ultrafrios) para deixar apenas um gole (um único par de átomos). Eles agitaram os restos, imitando o efeito que um campo magnético tem sobre os elétrons reais, e assim criaram algo ainda mais emocionante: um coquetel de um par atômico fortemente correlacionado em um estado cuja função de onda corresponde àquela que o físico Robert Laughlin desenvolveu para descrever o efeito Corridor quântico fracionário. Além de coletivo, o estado de Laughlin também é topológico. A façanha prenuncia o uso de átomos frios para dissecar outros estados topológicos mais exóticos, como ferromagnetos quânticos de Corridor ou estados topológicos. psupercondutores de ondas.
Os primeiros condensados de Bose-Einstein foram formados em meados da década de 1990. Brand depois, simuladores quânticos exploraram conjuntos relativamente grandes usando milhares de átomos bosônicos ultrafrios. Nessas configurações é possível investigar os efeitos de um campo magnético aplicado explorando a equivalência da força de Lorentz experimentada por partículas carregadas e da força de Coriolis experimentada por partículas massivas em um referencial giratório. Ao agitar condensados de Bose-Einstein (2, 3) – e emblem depois, superfluidos fermiônicos (4) – os pesquisadores conseguiram estudar a formação de redes de vórtices semelhantes às observadas em supercondutores tipo II submetidos a um campo magnético. Aumentar a taxa de rotação gerou mais vórtices. Como resultado, estados semelhantes ao efeito Corridor quântico fracionário, em que o número de vórtices excede o número de partículas, pareciam estar ao nosso alcance. Infelizmente, as instabilidades dinâmicas e o grande número de átomos nas nuvens impediram que as primeiras experiências atingissem esse regime.
O surpreendente grau de controle sobre os potenciais ópticos expandiu a paleta de parâmetros que podem ser ajustados e controlados, colocando o objetivo de alcançar o regime Corridor quântico fracionário e outros estados topológicos de volta ao roteiro do átomo frio. Usando objetivas ópticas de alta resolução, foi possível obter imagens de grandes nuvens rotativas de bósons interagindo no native e para preparar estados quânticos próximos ao regime Corridor quântico fracionário (5). Abordagens alternativas usando campos magnéticos sintéticos em redes ópticas (6, 7) em vez de gases rotativos também fizeram progressos consideráveis. A combinação das duas técnicas levou à primeira realização de um estado de Laughlin bosônico diatômico (8). Em 2020, os pesquisadores perceberam um estado de Laughlin de dois fótons em uma cavidade torcida cheia de excitações de Rydberg que mediavam fortes interações fóton-fóton (9). O foco de todos esses experimentos estava nos sistemas bosônicos, não nos elétrons, que são férmions.
Em seu novo experimento, Lunt e seus colaboradores começaram prendendo um punhado de férmions (átomos de lítio-6) em pinças ópticas bem focadas. Com a ajuda de um potencial inclinado, eles retiraram a maioria dos átomos presos para deixar exatamente dois férmions formando um spin singlete no estado elementary móvel da armadilha. Para abordar o regime Corridor quântico fracionário, eles giraram os férmions com um feixe de Laguerre-Gauss, cuja estrutura carrega momento angular orbital. Na ausência de interações entre si, os dois férmions começariam a girar individualmente dentro da armadilha. No entanto, para atingir o estado Corridor quântico fracionário, os férmions não devem apenas interagir, mas também girar em torno uns dos outros de uma forma altamente correlacionada que incorpora a ordem topológica do estado.
Lunt e seus colaboradores resolveram esse problema ajustando as interações entre os spins usando uma ressonância de Feshbach. O estado com todo o momento angular transportado pelo centro de massa do par experimenta uma mudança em sua energia devido às interações entre os spins constituintes. Contudo, o estado onde todo o momento angular é transferido para o movimento relativo das duas partículas não tem contribuição da energia de interação. Ao evitarem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo, as partículas adotam o estado de Laughlin – mais precisamente, um estado Corridor quântico fracionário de Laughlin. Devido à antissimetria da parte de spin da função de onda, a parte móvel da função de onda com dois quanta de momento angular relativo representa um estado de 1/2 Laughlin.
Para confirmar que criaram um estado de Laughlin, os investigadores variaram a frequência do feixe de Laguerre-Gauss e mediram a taxa de transferência resultante fora do estado inicial não rotativo para várias forças de interação. Eles observaram a esperada independência da energia do estado de Laughlin na força de interação. Usando alta resolução no native imaginando e resolvendo cada átomo individualmente, eles caracterizaram as fortes correlações espaciais do estado de Laughlin, conformando as expectativas teóricas com grande precisão.
Um próximo objetivo será a exploração de líquidos Corridor quânticos fracionários fermiônicos paradigmáticos, como o estado 1/3 de Laughlin formado por átomos polarizados por spin. Este objetivo deve estar ao alcance utilizando p-wave ressonâncias de Feshbach e aplicação de técnicas semelhantes às iniciadas por Lunt e seus colaboradores. No entanto, ficar com férmions que possuem spin também é emocionante: neste caso, um rico diagrama de fases de vários ferromagnetos quânticos de Corridor foi teoricamente proposto (10), abrindo caminho para a observação de skyrmions magnéticos em átomos ultrafrios. Estes desenvolvimentos potenciais oferecem uma visão complementar sobre estados topológicos da matéria fortemente correlacionados, que estão atraindo atenção renovada na comunidade da matéria condensada devido às suas manifestações em materiais bidimensionais de van der Waals e Moiré.
Referências
P. Lunt e outros.“Realização de um estado de Laughlin de dois férmions em rotação rápida,” Física. Rev.133253401 (2024); “Projetando estados próprios de momento angular de átomo único em uma pinça óptica,” Física. Rev.110063315 (2024).
JR Abo-Shaeer e outros.“Observação de redes de vórtices em condensados de Bose-Einstein,” Ciência292476 (2001).
V. Schweikhard e outros.“Condensados de Bose-Einstein em rotação rápida dentro e perto do nível mais baixo de Landau,” Física. Rev.92040404 (2004).
MW Zwierlein e outros.“Vórtices e superfluidez em um gás Fermi de forte interação,” Natureza4351047 (2005).
M. Mukherjee e outros.“Cristalização de estados Corridor quânticos bosônicos em um gás quântico giratório,” Natureza60158 (2022).
M. Aidelsburger e outros.“Realização do Hamiltoniano de Hofstadter com átomos ultrafrios em redes ópticas,” Física. Rev.111185301 (2013).
H. Miyake e outros.“Realizando o Harper Hamiltoniano com tunelamento assistido por laser em redes ópticas,” Física. Rev.111185302 (2013).
J. Leonard e outros.“Realização de um estado Corridor quântico fracionário com átomos ultrafrios,” Natureza619495 (2023).
LW Clark e outros.“Observação dos estados de Laughlin feitos de luz,” Natureza58241 (2020).
L. Palma e outros.“Estados fundamentais de Skyrmion de sistemas de poucos férmions em rotação rápida,” Novo J. Phys.22083037 (2020).
Sobre o autor
Fabian Grusdt lidera o grupo de teoria quântica de muitos corpos na Universidade Ludwig Maximilian (LMU) de Munique. Seus interesses de pesquisa incluem supercondutividade não convencional, matéria quântica topológica e teorias de calibre de rede. Depois de receber seu doutorado na Alemanha em 2015, ele ingressou no departamento de física da Universidade de Harvard como bolsista de pós-doutorado Moore. Após um breve pós-doutorado na Universidade Técnica de Munique, ele iniciou seu próprio grupo de pesquisa na LMU em 2019 e ingressou no Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Munique. Em 2020 recebeu uma bolsa inicial do Conselho Europeu de Investigação apoiando o seu trabalho em simulações quânticas do modelo dopado de Hubbard.
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