Uma nova fase da matéria, considerada compreensível apenas com o uso da física quântica, pode ser estudada com métodos clássicos muito mais simples.

Crédito: Pixabay / CC0 Public Domain

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Pesquisadores da Universidade de Cambridge usaram modelagem por computador para estudar novas fases potenciais da matéria conhecidas como cristais do tempo discreto pré-termal (DTCs). Pensava-se que as propriedades dos DTCs pré-termais dependiam da física quântica: as estranhas leis que regem as partículas na escala subatômica. No entanto, os pesquisadores descobriram que uma abordagem mais simples, baseada na física clássica, pode ser usada para entender esses fenômenos misteriosos.

Compreender essas novas fases da matéria é um passo à frente em direção ao controle de sistemas complexos de muitos corpos, uma meta de longa data com várias aplicações potenciais, como simulações de redes quânticas complexas. Os resultados foram relatados em dois trabalhos conjuntos na Physical Review Letters e Physical Review B.

Quando descobrimos algo novo, seja um planeta, um animal ou uma doença, podemos aprender mais sobre isso olhando cada vez mais de perto. Teorias mais simples são experimentadas primeiro e, se não funcionarem, teorias ou métodos mais complexos.

"Isso era o que pensávamos ser o caso com DTCs pré-termais", disse Andrea Pizzi, candidata à Ph.D. no Laboratório Cavendish de Cambridge, primeira autora em ambos os artigos. "Nós pensamos que eles eram fundamentalmente fenômenos quânticos, mas parece que uma abordagem clássica mais simples nos permite aprender mais sobre eles."

Os DTCs são sistemas físicos altamente complexos e ainda há muito a aprender sobre suas propriedades incomuns. Como um cristal de espaço padrão quebra a simetria de translação do espaço, porque sua estrutura não é a mesma em todos os lugares no espaço, os DTCs quebram uma simetria de translação de tempo distinta porque, quando 'sacudidos' periodicamente, sua estrutura muda a cada 'empurrão'.

“Você pode pensar nisso como um pai empurrando uma criança no balanço de um parquinho”, disse Pizzi. "Normalmente, o pai empurra a criança, a criança vai balançar para trás e o pai, então, empurra-a novamente. Em física, este é um sistema bastante simples. Mas se vários balanços estivessem no mesmo playground, e se as crianças neles estivessem segurando as mãos um do outro, então o sistema se tornaria muito mais complexo, e comportamentos muito mais interessantes e menos óbvios poderiam surgir. Um DTC pré-termal é um desses comportamentos, em que os átomos, agindo como se fossem oscilações, apenas "voltam" a cada segundo ou terceiro empurrão, por exemplo."

Previstos pela primeira vez em 2012, os DTCs abriram um novo campo de pesquisa e têm sido estudados em vários tipos, inclusive em experimentos. Entre eles, os DTCs pré-termais são sistemas relativamente simples de realizar que não aquecem rapidamente como normalmente seria esperado, mas em vez disso exibem um comportamento cristalino por muito tempo: quanto mais rápido eles são agitados, mais eles subsistem. No entanto, pensava-se que eles se baseavam em fenômenos quânticos.

"Desenvolver teorias quânticas é complicado e, mesmo quando você o gerencia, seus recursos de simulação são geralmente muito limitados, porque o poder computacional necessário é incrivelmente grande", disse Pizzi.

Agora, Pizzi e seus co-autores descobriram que, para DTCs pré-termais, eles podem evitar o uso de abordagens quânticas excessivamente complicadas e, em vez disso, usar abordagens clássicas muito mais acessíveis. Dessa forma, os pesquisadores podem simular esses fenômenos de uma forma muito mais abrangente. Por exemplo, eles agora podem simular muito mais constituintes elementares, obtendo acesso aos cenários que são mais relevantes para os experimentos, como em duas ou três dimensões.

Usando uma simulação de computador, os pesquisadores estudaram muitos giros em interação. Como as crianças nos balanços, sob a ação de um campo magnético periódico, como o pai empurrando o balanço, usando a dinâmica Hamiltoniana clássica. A dinâmica resultante mostrou de forma nítida e clara as propriedades dos DTCs pré-termais: por muito tempo, a magnetização do sistema oscila com um período maior que o da unidade.

"É surpreendente como esse método é limpo", disse Pizzi. "Porque nos permite olhar para sistemas maiores, torna muito claro o que está acontecendo. Ao contrário de quando usamos métodos quânticos, não temos que lutar com este sistema para estudá-lo. Esperamos que esta pesquisa estabeleça a dinâmica Hamiltoniana clássica como uma abordagem adequada para simulações em grande escala de sistemas complexos de muitos corpos e abre novos caminhos no estudo de fenômenos de não-equilíbrio, dos quais DTCs pré-termais são apenas um exemplo."

Os coautores de Pizzi nos dois artigos, ambos recentemente baseados em Cambridge, são o Dr. Andreas Nunnenkamp, agora na Universidade de Viena, e o Dr. Johannes Knolle, agora na Universidade Técnica de Munique.

Enquanto isso, na UC Berkeley, o grupo de Norman Yao também tem usado métodos clássicos para estudar DTCs pré-termais. Surpreendentemente, as equipes de Berkeley e Cambridge abordaram simultaneamente a mesma questão. O grupo de Yao publicará seus resultados em breve.

Mais informações:

Andrea Pizzi, Andreas Nunnenkamp, Johannes Knolle. 'Classical Prethermal Phases of Matter.' Physical Review Letters (2021). journals.aps.org/prl/accepted/ … 9c67616f3831df7292f1

Andrea Pizzi, Andreas Nunnenkamp, Johannes Knolle. 'Classical approaches to prethermal discrete time crystals in one, two, and three dimensions.' Physical Review B (2021). journals.aps.org/prb/accepted/ … 551910d68564c223487a

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Referência:

'Back to basics' approach helps unravel new phase of matter. Phys Org, 27, set. 2021. Disponível em: <https://phys.org/news/2021-09-basics-approach-unravel-phase.html>. Acesso em: 27, set. 2021.