Gotas quânticas formam 'chuva quântica' em potássio-41 e rubídio-87 ultrafrios

Por mais estranhas e singulares que pareçam, no quotidiano, as leis do domínio quântico, de tempos a tempos a experiência consegue apanhar fenómenos que soam simultaneamente a coisa de outro mundo e, ao mesmo tempo, inesperadamente familiares.

Pela primeira vez, foi observado um conjunto de gotas a desfazer-se numa espécie de “chuva quântica” dentro de um fluido degenerado e ultrafrio composto por isótopos de potássio e rubídio - um resultado que aproxima a dinâmica de fluidos clássica do cenário mais etéreo dos gases atómicos.

Uma equipa de investigadores de várias instituições em Espanha e Itália examinou as características desta fragmentação num gás atómico, alargando o que se sabe sobre a forma como os líquidos quânticos se comportam - conhecimento que poderá vir a ajudar a controlar melhor a sua actividade.

“"As nossas medições não só fazem avançar a compreensão desta fase líquida exótica, como também demonstram a possibilidade de criar redes de gotas quânticas para futuras aplicações em tecnologias quânticas,"” afirma Luca Cavicchioli, primeiro autor do estudo e físico da matéria condensada do Instituto Nacional de Óptica, em Itália.

Da chuva no vidro à instabilidade de Plateau–Rayleigh

Ver uma tempestade atirar sucessivas gotas de água contra um vidro tem algo de poesia escrita com as regras da física. Cada esfera líquida é mantida por uma “pele” de tensão superficial, juntando-se e dividindo-se e voltando a juntar-se, enquanto a gravidade as faz descer em ziguezague, com avanços e paragens.

Grande parte desse vaivém nasce de uma verdadeira disputa entre forças moleculares, conhecida como instabilidade de Plateau–Rayleigh.

Uma pequena assimetria na distribuição de cargas entre os átomos de hidrogénio e oxigénio da água gera um efeito dipolar. Esse dipolo empurra e puxa as cargas da própria água e do vidro, favorecendo quer a divisão de gotas maiores em gotas mais pequenas, quer a agregação de gotas pequenas em “pérolas” maiores e encharcadas, de modo a manter a área de superfície tão baixa quanto possível.

Gases ultrafrios, bósons e a correção de Lee-Huang-Yang

Nos líquidos do dia a dia, oxigénio e hidrogénio em cada molécula têm identidades claras, sustentadas por sistemas de electrões e partículas do núcleo. Já num gás ultrafrio, os átomos perdem esse sentido de individualidade: as probabilidades quânticas passam a mandar, esbatendo um enxame de bósons numa única nuvem, onde a noção de partícula pontual deixa de fazer sentido.

Ainda assim, isso não significa que o gás atómico seja “pacífico” por dentro. Em vez de toda a energia ficar simplesmente promediada na nuvem, surgem flutuações nas soluções que descrevem o desenho do potencial do sistema. Essas flutuações introduzem um empurrão repulsivo, conhecido como correção de Lee-Huang-Yang.

Essa tensão também pode levar gases atómicos a cintilar, por instantes, em gotas mais pequenas, cuja dimensão e forma variam consoante os bósons e os estados de partícula que compõem o gás.

Gotas quânticas já tinham sido observadas e analisadas noutras ocasiões, mas a sua existência fugaz tornava o estudo particularmente difícil.

A experiência com potássio-41 e rubídio-87 numa guia de ondas

No novo trabalho, os investigadores partiram de um cenário mais favorável: tinham detectado gotas quânticas que se mantinham durante dezenas de milissegundos em nuvens ultrafrias de potássio-41 e rubídio-87, oferecendo um ponto de partida para manipulações adicionais.

Quando libertaram esse líquido quântico para um canal do tipo guia de ondas, que restringia a natureza ondulatória da mistura, verificaram que se formavam várias gotas - uma verdadeira “chuva” de eventos.

A configuração assumida pelos fragmentos dependia do confinamento ao estado fundamental de energia, e os comprimentos observados eram fixados por variações no número de átomos.

A teoria já antecipava a dinâmica registada nos resultados, o que dá aos autores uma base empírica para desenvolver novas ferramentas capazes de esclarecer como certos efeitos quânticos podem espelhar fenómenos familiares do nosso dia a dia.

“"Ao combinar experiências com simulações numéricas, conseguimos descrever a dinâmica de ruptura de uma gota quântica em termos de instabilidade capilar,"” explica Chiara Fort, física da Universidade de Florença.

“A instabilidade de Plateau-Rayleigh é um fenómeno comum em líquidos clássicos, também observado no hélio superfluido, mas ainda não em gases atómicos.”

Este trabalho foi publicado em Cartas de Revisão Física.