Gases quânticos ultrafrios presos em cristais de luz

Na física da matéria condensada existem diversos estudos em cristais para entender suas estruturas e propriedades. Uma das mais conhecidas aplicações desse tipo de estudo é em componentes semicondutores que estão amplamente presentes em equipamentos de tecnologia. Além disso, uma recente descoberta (aproximadamente 13 anos), o grafeno possui uma excelente estrutura cristalina com inúmeras aplicações. Essa área de estudo tem muitos problemas fundamentais em aberto e é aí que entra uma as aplicações de gases quânticos ultrafrios em redes ópticas: usar esses sistemas como ferramentas de simulação para cristais como o grafeno. Uma outra área da física que pode tirar muito proveito do conceito de gases quânticos ultrafrios em redes ópticas é a computação quântica. Esses sistemas podem ser usados para fazer operações quânticas e processamento de informações. Tal sistema usando redes ópticas ganhou destaque por meio do físico Immanuel Bloch com o seu artigo publicado na Nature[1].

Uma técnica muito utilizada para o estudo de átomos ultrafrios armadilhados é o sistema em que as armadilhas são magnéticas, em que o átomos são presos nas armadilhas pelo seu spin atômico. Mas ele possui uma limitação: por se tratar de spins, apenas um pequeno subconjunto dos estados atômicos disponíveis podem ser armadilhados pela rede. Já no caso de redes óticas, não existe essa limitação. O sistema é formado por átomos aprisionados em poços de potencial periódicos formados pelas redes óticas e não pelo momento angular de spin. Essas redes, então, são capazes de “armazenar” esses átomos frios em sua estrutura por meio de armadilhas de dipolos, criando um poderoso modelo de sistema de muitos corpos.

Para formar tais potenciais periódicos são usados feixes de laser propagando em direções opostas. Ao interferir apenas dois feixes, uma rede de uma dimensão (1D) é criada, formando um único padrão de interferência de uma única onda estacionária com um período de λL/2. Ao interferir duas ondas estacionárias ortogonalmente é possível criar um conjunto de tubos de potencial 1D, no qual o átomo só pode se mover no eixo dos tubos, conforme mostrado na figura 1a. Para criarmos uma rede em três dimensões o procedimento é análogo, basta interferir uma terceira onda estacionária perpendicularmente às outras duas. Agora, conforme ilustrado na figura 1b, podemos ver que o átomo fica completamente preso em pontos determinados pela rede, não podendo se mover de forma alguma.

im1

Uma outra vantagem de usar redes óticas para aprisionar átomos é o fato de a profundidade do poço de potencial (energia potencial cuja curva no eixo do espaço tem o formato de um poço) e a sua geometria estarem totalmente sob controle. É possível mudar a profundidade do poço mudando a intensidade dos feixes do laser e é possível mudar a geometria apenas mudando o ângulos dos feixes do laser.

 

Um potencial periódico formado por uma única onda estacionária terá a seguinte forma descrita pela figura 2.
im2

Uma aplicação desse sistema é mapear estados de Bloch na n-ésima banda de energia em uma partícula livre na n-ésima banda de Brillouin. Diminuindo adiabaticamente a profundidade do potencial da rede, ou seja, não há troca de energia entre a rede e a partícula, o momentum de cristal da excitação é preservado podendo então ser mapeado no momento da partícula livre na zona de Brillouin correspondente, conforme ilustrado na figura 3.

im3
Esse tipo de sistema pode ser estudado de diversas maneiras e tem sido uma grande fonte de descobertas tanto para a física da matéria condensada quanto para a mecânica quântica.

 

Referência do texto e das figuras:

[1] Bloch, Immanuel. “Ultracold quantum gases in optical lattices.” Nature Physics 1.1 (2005): 23-30.

Anúncios

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair /  Alterar )

Foto do Google

Você está comentando utilizando sua conta Google. Sair /  Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair /  Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair /  Alterar )

Conectando a %s