Primeira realização do estado de Laughlin

Os átomos ultrafrios manipulados pelo laser realizaram um estado de Laughlin, um estranho fluido quântico no qual cada átomo dança em torno de seus congêneres. Crédito: Nathan Goldman

A descoberta dos efeitos do salão quântico durante a década de 1980 revelou novas formas de matéria chamadas “estados de Laughlin”, em homenagem ao ganhador do Prêmio Nobel americano que os distinguiu com sucesso teoricamente.

Esses estados estranhos aparecem exclusivamente em materiais 2D, sob condições extremamente frias e quando submetidos a um campo magnético extremamente forte. No caso de Laughlin, os elétrons formam um líquido incomum, no qual cada elétron dança em torno de seus congêneres, evitando-os o máximo possível.

A excitação de tal fluido quântico gera estados coletivos que os físicos associam a partículas fantasmas, cujas propriedades são radicalmente diferentes dos elétrons: esses “íons” carregam uma carga fracionária (parte da carga elementar) e surpreendentemente desafiam a classificação padrão de partículas em termos de bósons ou férmions.

Por muitos anos, os físicos exploraram a possibilidade de realizar estados de Laughlin em outros tipos de sistemas além daqueles fornecidos por materiais no estado sólido, à luz de análises adicionais de suas propriedades especiais. No entanto, os componentes necessários (a natureza bidimensional do sistema, campo magnético intenso e fortes correlações interpartículas) provaram ser muito desafiadores.

Escrita naturezaUma equipe internacional reunida em torno do grupo experimental de Marcus Grenier em Harvard relatou a primeira realização do estado de Laughlin usando átomos neutros muito frios manipulados por lasers.

O experimento consiste em aprisionar alguns átomos em uma caixa ótica e implementar os ingredientes necessários para criar esse estranho estado: um forte campo magnético sintético e fortes interações repulsivas entre os átomos.

Em seu artigo, os autores revelam as propriedades definidoras do estado de Laughlin, visualizando os átomos um a um por meio de um poderoso microscópio quântico de gás. Eles mostram a estranha “dança” das partículas, que orbitam umas às outras, bem como a natureza parcial do estado atômico realizado de Laughlin.

Esse marco abre as portas para um vasto campo novo para explorar os estados de Laughlin e seus primos (por exemplo, o chamado estado de Moore-Read) em simulações quânticas. A possibilidade de criar, imaginar e manipular quaisquer gemas sob um microscópio de gás quântico é particularmente atraente, tendo em vista a exploração de suas propriedades únicas em laboratório.

Referência: “Atingindo o Estado Hall Quântico Fracionário com Átomos Extremamente Frios” Por Julian Leonard, Suchin Kim, Joyce Cowan, Perrin Segura, Fabian Grosdt, Cecil Replin, Nathan Goldman e Marcus Grenier, 21 de junho de 2023, disponível aqui. natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06122-4