Se você mergulhar em um gás quântico, ouvirá cada evento duas vezes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/06/2022

A descrição do fenômeno em um gás é muito mais simples do que em um líquido.
[Imagem: Pooja Pandey]

Dois sons

Se você pudesse mergulhar em um gás quântico, você ouviria duas vezes cada evento que acontecesse ao seu redor.

Isso acontece porque, curiosamente, um gás quântico suporta duas ondas sonoras com velocidades diferentes.

Timon Hilker e seus colegas da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, demonstraram esta propriedade notável pela primeira vez em um gás quântico tridimensional.

Um gás quântico é um gás no qual todas as partículas atuam como se fossem uma só, sendo impossível distinguir umas das outras. Em comparação, um gás clássico é formado pelos átomos movendo-se aleatoriamente por um espaço e, ao menos teoricamente, é possível ir lá e "pescar" cada um deles, medindo suas propriedades (posição e momento) de forma isolada.

Primeiro som e segundo som

A equipe conseguiu fazer esta demonstração resfriando um gás de átomos de potássio, presos por feixes de laser em um ambiente de ultra-alto vácuo, até menos de um milionésimo de grau acima do zero absoluto, parcialmente formando um condensado de Bose-Einstein, uma espécie de átomo artificial, já que todas as partículas passam a comportar-se como uma só, não podendo mais serem descritas isoladamente - seria mais ou menos como tentar caracterizar as fibras individuais usando as propriedades de um tecido.

Nessas condições, os átomos ultrafrios têm uma interação mútua muito fraca, mas a equipe aumentou tanto a interação que o gás se tornou hidrodinâmico. Para isso, eles injetaram energia no sistema por meio de ondas estacionárias de diferentes frequências. A supresa veio quando eles observaram duas ressonâncias.

"Nós excitamos o modo de comprimento de onda mais longo do nosso gás homogêneo e observamos duas oscilações ressonantes distintas abaixo da temperatura crítica, das quais apenas uma persiste acima dela. Em uma análise microscópica de modo-estrutura, encontramos concordância com a teoria hidrodinâmica, onde o primeiro e o segundo som envolvem oscilações de densidade dominadas, respectivamente, por átomos térmicos e [átomos] condensados," escreveu a equipe.

É possível criar gases quânticos de Bose ou de Fermi, usando átomos ou moléculas - um gás feito de luz é um exemplo recentemente demonstrado.
[Imagem: Erik Busley et al. - 10.1126/science.abm2543]

Fluidos quânticos

Este efeito de primeiro e segundo sons é bem estudado em líquidos quânticos, como o hélio superfluido, mas a compressibilidade do gás quântico criado pela equipe é tão grande quanto a do ar atmosférico, então ele ainda é um gás, não um líquido.

De fato, o famoso modelo de dois fluidos de Landau, uma teoria desenvolvida para o hélio superfluido na década de 1940, descreve muito bem este gás superfluido - no experimento, esses dois fluidos convivendo harmonicamente são representados pelas partes condensada e não condensada do gás, respectivamente.

O significado maior do experimento é que ele permite resolver o movimento relativo das duas partes, que oscilam juntas no primeiro som clássico, mas se movem de forma oposta no segundo som.

E, sendo a descrição teórica do gás quântico muito mais simples do que a de um líquido quântico, a equipe espera usar sua configuração para melhorar a compreensão da hidrodinâmica quântica, generalizando os resultados de gases e líquidos para a categoria mais geral de fluidos quânticos.

E fluidos quânticos apresentam comportamentos observáveis em nível macroscópico, como superfluidez e supercondutividade.

Gás quântico?

Se você quiser ser bastante preciso, verá que "gás quântico" é uma redundância, uma vez que todos os gases só podem ser precisamente descritos com a teoria quântica.

Em outras palavras, rigorosamente falando, não existe "gás clássico": Dependendo da simetria da função de onda das partículas que constituem o gás, ele poderá ser descrito pela estatística de Bose-Einstein, para os bósons (fótons, glúons, mésons etc.), ou pela estatística de Fermi-Dirac, para os férmions (prótons, quarks, elétrons, neutrinos etc.).

Essas descrições já permitiram usar os gases - sim, os quânticos - para mostrar o calor difundindo-se em forma de onda, para criar monopolos magnéticos, para alcançar a temperatura mais fria já produzida pelo homem e até para criar um gás feito inteiramente de luz.

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