Prethermal ripplons in quenched binary Bose-Einstein condensates

No mundo silencioso da física quântica, onde os átomos se comportam menos como bolas de gude sólidas e mais como ondas sobrepostas, os cientistas há muito dependem de uma regra simples: dado tempo suficiente, um sistema caótico acabará por se estabilizar em um estado calmo e previsível chamado equilíbrio térmico. Este é o estado em que a energia é compartilhada igualmente entre todas as partes de um sistema, como uma xícara de café esfriando até coincidir com a temperatura do ambiente. No entanto, a natureza às vezes toma um desvio. Antes de atingir esse calmo final, muitos sistemas ficam presos em uma condição semiestável de longa duração conhecida como estado pretérmico. Nesta fase, o sistema parece ter se estabilizado, mas mantém uma memória de seu caos inicial, recusando-se a compartilhar sua energia de forma justa. Compreender por que e como esses sistemas ficam presos é um desafio fundamental, oferecendo pistas para tudo, desde os primeiros momentos do universo até o comportamento de materiais complexos.

Uma equipe de pesquisadores do Joint Quantum Institute e do National Institute of Standards and Technology capturou agora este fenômeno em ação, observando-o dentro de uma nuvem de átomos ultra-frios. Eles criaram um cenário onde dois tipos distintos de átomos, que naturalmente se repelem, foram forçados a compartilhar um espaço. Quando as condições foram subitamente alteradas, esses átomos não simplesmente se misturaram ou se separaram instantaneamente. Em vez disso, eles formaram uma fronteira nítida, uma interface unidimensional, entre dois grandes domínios. Esta fronteira não era uma parede estática; ela ondulava e oscilava com ondas conhecidas como riplons. Ao observar a evolução dessas ondas ao longo do tempo, os cientistas descobriram que a interface entrou em um estado pretérmico que desafiava as regras usuais de compartilhamento de energia.

O experimento começou com uma nuvem de cerca de 1,6 milhão de átomos de sódio, resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto e aprisionados em uma caixa quadrada e plana. Inicialmente, todos os átomos estavam no mesmo estado quântico. Os pesquisadores então usaram um pulso de micro-ondas para dividir a nuvem em dois grupos iguais de átomos mutuamente incompatíveis, como óleo e água. Esses dois grupos começaram a se separar imediatamente, formando gotas aleatórias que se fundiram e cresceram até que dois grandes domínios distintos emergissem em lados opostos da caixa. A fronteira entre eles foi o foco do estudo. À medida que os átomos se estabilizavam, a interface entre os dois domínios começou a flutuar, criando ondas de diferentes tamanhos. Os pesquisadores mediram a altura desta fronteira com extrema precisão, rastreando como essas ondas mudavam ao longo de um período de até quatro segundos.

O que encontraram foi uma divisão impressionante de comportamento. As ondas na interface vinham em muitos tamanhos, desde ondulações curtas e apertadas até ondulações longas e amplas. As ondulações curtas de alta frequência perderam rapidamente sua energia para a nuvem de átomos circundante, estabilizando-se em uma temperatura que correspondia à do volume do gás. No entanto, as ondas longas de baixa frequência comportaram-se de forma diferente. Essas grandes ondulações permaneceram quentes, retendo significativamente mais energia do que o resto do sistema, mesmo após os pesquisadores esperarem por um longo tempo. O sistema atingiu um estado onde as ondas pequenas estavam calmas, mas as ondas grandes ainda estavam agitadas, criando uma configuração pretérmica de longa duração.

Para entender isso, os cientistas tiveram que observar como a energia se move entre essas ondas e os átomos circundantes. Em um sistema típico, a energia flui livremente até que tudo seja a mesma temperatura. Aqui, as regras de movimento impediram esse fluxo para as ondas grandes. Os pesquisadores descobriram que as grandes ondulações estavam cinematicamente isoladas. Isso significa que as leis da física que regem seu movimento tornaram impossível que elas transferissem facilmente sua energia para os átomos circundantes através dos processos usuais de colisão. A energia necessária para fazer uma grande ondulação ceder seu calor não correspondia à energia disponível nos átomos circundantes, criando um descompasso que bloqueou a transferência. É semelhante a tentar empurrar uma pedra enorme com uma brisa suave; a brisa simplesmente não consegue mover a pedra, não importa quanto tempo sopre.

A equipe confirmou esse isolamento medindo a temperatura das ondas diretamente. Descobriram que a temperatura das grandes ondulações era muito superior à temperatura do gás circundante, enquanto as pequenas ondulações haviam esfriado para coincidir com o gás. Eles também descartaram outras possibilidades, como as ondas formarem um estado especial e coerente como um feixe de laser, ao mostrar que as ondas seguiam um padrão estatístico padrão, apenas com a temperatura errada. Os dados mostraram que as grandes ondas decaíram incrivelmente devagar, com um tempo medido de cerca de cinco segundos para relaxar, o que é vastamente superior ao tempo que as pequenas ondas levaram para se estabilizar.

Esta descoberta fornece um exemplo experimental claro de como um sistema pode ficar preso em um estado pretérmico não porque seja perfeitamente ordenado, mas porque as formas específicas de movimentação de energia são bloqueadas pela própria geometria do sistema. Os pesquisadores observaram que a interface entre os dois domínios atômicos agiu como um subsistema que estava efetivamente cortado do resto do mundo por um período significativo. Enquanto as ondas pequenas encontraram um caminho para o equilíbrio, as ondas grandes permaneceram presas em um estado de energia elevada, esperando por uma interação rara e complexa para finalmente permitir que esfriassem.

O trabalho destaca um aspecto fundamental da mecânica quântica: mesmo em um sistema que não é perfeitamente isolado, certas partes podem permanecer fora do equilíbrio por um longo tempo se os caminhos para a troca de energia estiverem bloqueados. Os pesquisadores observaram que, embora tenham identificado o mecanismo para essa relaxação lenta, os processos exatos que inicialmente criaram este estado pretérmico e os detalhes completos de como ele eventualmente decai permanecem como questões abertas. Eles sugerem que a resposta pode residir em como as ondas individuais perdem sua coerência de fase ou se misturam umas com as outras dentro do grupo pretérmico. Ao fornecer uma plataforma limpa e controlável para estudar essas dinâmicas, este experimento abre uma nova janela para a compreensão de como sistemas quânticos complexos se aproximam do equilíbrio, um processo que é central para o comportamento da matéria nas escalas mais ínfimas.