Rotation Breaks Kibble-Zurek Universality

Quando uma substância muda de um estado da matéria para outro, como a água congelando em gelo, isso nem sempre acontece perfeitamente em todos os lugares ao mesmo tempo. Em vez disso, a mudança frequentemente começa em pequenos bolsões que crescem e eventualmente se fundem. Se essa transição ocorre rapidamente, os diferentes bolsões podem não concordar sobre como se organizar, deixando para trás cicatrizes ou defeitos permanentes onde colidem. No mundo quântico, onde as partículas se comportam como ondas, esses defeitos podem aparecer como pequenos redemoinhos chamados vórtices. Por décadas, físicos confiaram em um conjunto de regras conhecido como mecanismo de Kibble-Zurek para prever quantos desses redemoinhos se formarão. Esse arcabouço sugere que a velocidade da mudança determina o número de defeitos: uma mudança mais rápida deixa mais cicatrizes, enquanto uma mudança mais lenta permite que o sistema se estabeleça de forma mais pacífica. Essa ideia foi testada e confirmada em muitos sistemas diferentes, desde superfluídos até modelos iniciais do universo, tornando-se um pilar de nossa compreensão de como a ordem emerge do caos.

No entanto, um novo estudo sugere que essa regra mantida há muito tempo possui um ponto cego significativo. Pesquisadores descobriram que, se o recipiente que contém o fluido quântico estiver girando, as regras do jogo mudam inteiramente. Ao simular a formação de um condensado de Bose-Einstein — um estado raro da matéria onde os átomos agem como uma única onda quântica — dentro de uma armadilha rotativa, a equipe descobriu que a rotação do recipiente anula as previsões usuais. Em vez de o número de redemoinhos depender de quão rápido ocorreu a transição, a rotação força o fluido a criar um número específico de vórtices que corresponde à velocidade da rotação, independentemente da taxa de resfriamento. Essa descoberta desafia a universalidade do mecanismo de Kibble-Zurek e revela que um simples giro na armadilha pode agir como um controle mestre para o comportamento desses sistemas quânticos.

Os pesquisadores, trabalhando com simulações computacionais de uma nuvem bidimensional de átomos, propuseram-se a observar o que acontece quando esse gás quântico é resfriado para formar um condensado enquanto o recipiente já está girando. Em seu primeiro cenário, eles mantiveram a velocidade de rotação constante enquanto mudavam rapidamente as condições para desencadear a transição de fase. Eles observaram que o movimento de rotação criou um forte viés, favorecendo a formação de redemoinhos que giravam na mesma direção do recipiente, enquanto suprimia aqueles que giravam no sentido oposto. Como resultado, o número total de vórtices formados não foi determinado pela velocidade do processo de resfriamento, como a teoria padrão prevê. Em vez disso, a contagem estabilizou-se perto de um valor ditado pela própria velocidade de rotação, uma relação conhecida como limite de Feynman-Onsager. Quanto mais rápido a armadilha girava, mais vórtices apareciam, e a conexão usual entre a velocidade de resfriamento e a contagem de defeitos desaparecia. O sistema parecia ignorar o tempo de "congelamento" (freeze-out) que normalmente governa essas transições, sendo impulsionado, em vez disso, pelo momento angular da armadilha.

Para testar se isso era uma ruptura fundamental na teoria ou um efeito específico da configuração, a equipe tentou uma segunda abordagem. Nesta versão, eles começaram com uma armadilha não rotativa e aumentaram o giro lentamente ao mesmo tempo em que resfriavam o gás. Esse aumento simultâneo da rotação e do resfriamento mudou o resultado significativamente. Quando a rotação era aumentada lentamente junto com o resfriamento, o sistema comportava-se muito mais como a teoria padrão previa. O número de vórtices seguia o padrão esperado baseado na velocidade de resfriamento, e as leis de escala universais mantinham-se verdadeiras, pelo menos para velocidades de rotação mais baixas. Essa comparação provou que o fator crucial não era apenas a presença de rotação, mas o tempo de quando a rotação era sentida pelo sistema. Se os átomos experimentassem um giro forte exatamente no momento em que a transição começava, as regras padrão quebravam-se. Se o giro fosse introduzido gradualmente, os átomos tinham tempo para se ajustar, e as leis universais permaneciam intactas.

O estudo também observou o que aconteceu com esses redemoinhos após a conclusão da transição. Nas simulações, os vórtices não se organizaram na grade perfeita, semelhante a um favo de mel, que os físicos chamam de rede de Abrikosov, que é o estado ideal para um superfluido rotativo. Em vez disso, eles se estabeleceram em um arranjo vítreo e desordenado. As bordas do recipiente e o número específico de vórtices criaram uma espécie de frustração, impedindo que encontrassem uma ordem perfeita. No entanto, os pesquisadores descobriram que, se adicionassem uma força de ancoragem externa suave — como um padrão sutil de luz para manter os átomos no lugar — os redemoinhos desordenados poderiam ser induzidos a formar essa rede perfeita e ordenada. Isso sugere que, embora o processo natural de resfriamento em uma armadilha giratória leve à desordem, um pouco de orientação extra pode restaurar a estrutura ideal, mesmo em baixas velocidades de rotação.

Essas descobertas oferecem uma nova maneira de pensar sobre o controle da matéria quântica. O estudo demonstra que a rotação não é apenas uma condição de fundo passiva, mas uma ferramenta ativa que pode ser usada para direcionar o resultado de uma transição de fase. Ao ajustar o giro, os cientistas podem escolher se seguem as leis universais de formação de defeitos ou se forçam o sistema a um estado específico ditado pelo momento angular. Esse entendimento aprofunda a compreensão de como a simetria é quebrada no mundo quântico e fornece um controle prático para manipular a dinâmica crítica dos condensados de Bose-Einstein. Os resultados, derivados de simulações computacionais detalhadas usando a equação de Gross-Pitaevskii estocástica, destacam como a interação entre as flutuações aleatórias de um sistema de resfriamento e a demanda macroscópica da rotação cria uma dança complexa de ordem e desordem, uma que as regras antigas não podiam prever totalmente.