Patrícia Christina Marques Castilho.

Gases ultrafrios, produzidos a partir de gases atômicos resfriados a poucas centenas de nanokelvins, exibem propriedades quânticas macroscópicas, como a superfluidez. Neste caso, o gás adquire viscosidade nula e rotação ocorre apenas a partir da nucleação de vórtices quantizados. Vórtices quantizados não objetos únicos deste tipo de sistema, eles têm sido observados no hélio superfluido e em materiais supercondutores do tipo-II, como resultado da penetração de um campo magnético externo. Nesses materiais, dissipação está usualmente associada ao movimento desses vórtices na presença de um fluxo de corrente, resultando no aparecimento de uma resistência finita. Neste projeto, propomos estudar como mecanismos dissipativos associados à dinâmica de vórtices quantizados afetam as propriedades coerentes de um superfluido atômico e de relacioná-los com fenômenos característicos de supercondutores. **** Chamada 7 de apoio à Pesquisa do Instituto Serrapilheira ****

No QuVort2D propomos estudar a dinâmica de vórtices e pares de vórtices em duas plataformas experimentais complementares trabalhando com superfluidos atômicos bidimensionais (2D) bosônicos (equipe IFSC) e fermiônicos (equipe INO-CNR) aprisionados por potenciais ópticos uniformes. Os vórtices serão produzidos através de instabilidades hidrodinâmicas ou sob demanda com métodos sofisticados de impressão de vórtices. Os limites de poucos vórtices, onde os vórtices podem ser rastreados individualmente, e de muitos vórtices, cuja complexa dinâmica de vórtices pode levar ao início da turbulência quântica, serão explorados em ambos os sistemas. O comportamento de tais vórtices sob desordem ou perturbações controladas dos gases atômicos 2D fornecerá mais informações sobre suas propriedades superfluidas. A comparação de nossos resultados com modelos teóricos nos permitirá conectá-los a sistemas mais complexos relacionados à matéria condensada, como os supercondutores de alta temperatura crítica. **** Projeto de colaboração internacional SPRINT-FAPESP: 2023/14887-9 ****

O desenvolvimento de novas tecnologias quânticas depende do entendimento das propriedades fundamentais de sistemas quânticos de muitos corpos. O progresso na confecção de dispositivos miniaturizados requer a compreensão e o domínio de fenômenos coerentes de transporte e dissipação em sistemas de baixa dimensionalidade. Esta tarefa é complicada devido à complexidade dos materiais convencionais, nos quais as fortes correlações entre as partículas limitam a eficácia de sua descrição teórica. Sistemas de gases atômicos ultrafrios apresentam densidades muito menores simplificando a descrição da interação entre os seus constituintes. Somado a isso, o alto grau de controle de suas propriedades e a flexibilidade de aprisionamento obtida com o uso de armadilhas ópticas, tem possibilitado a utilização destes sistemas como plataforma experimental para o estudo das propriedades de sistemas quânticos de muitos corpos. É neste contexto em que se insere este projeto de pesquisa no qual propomos a construção de um novo sistema experimental capaz de estudar a transição dimensional 3D-2D em um gás ultrafrio de potássio-39. A baixas temperaturas, materiais tridimensionais exibem o aparecimento de uma fase ordenada e de um estado quântico macroscópico acompanhado de um comportamento superfluido. Em sistemas de dimensão reduzida, flutuações de fase intrínsecas impedem o aparecimento de uma ordem de longo alcance. No caso de sistemas bidimensionais, um estado quântico macroscópico ainda pode ser atingido a partir de uma transição de fase topológica, a transição Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT). Neste projeto, ao comprimir um superfluido atômico 3D até o regime 2D enquanto acompanhamos a evolução de algumas de suas características quânticas, como a temperatura crítica para a fase superfluida e a formação de estados de Efimov (i.e. estados ligados de três corpos), pretendemos contribuir para a proposição de modelos que conectem estas duas fases quânticas.

Em sistemas de dimensão reduzida, flutuações térmicas e quânticas têm um papel mais importante, inibindo o aparecimento de uma ordem de longo-alcance para qualquer temperatura diferente do zero absoluto. Como consequência, transições de fase de segunda ordem, como a condensação de Bose-Einstein em sistemas de partículas bosônicas, são proibidas em menores dimensões. Sistemas bidimensionais (2D) são interessantes já que uma ordem de quase longo-alcance pode ser estabelecida a partir de um outro tipo de transição de fase, a transição de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT), resultado do pareamento de defeitos topológicos abaixo de uma temperatura crítica. Para o caso de um gás de bósons bidimensional e fracamente interagente, um comportamento superfluido pode ser restabelecido via a transição BKT, exibindo um comportamento completamente diferente quando comparado à sua contrapartida em três dimensões. Neste projeto, iremos estudar as propriedades superfluidas de um gás de bósons bidimensional composto de átomos de potássio-39 a partir do desenvolvimento de análogos quânticos de duas das mais fundamentais instabilidades hidrodinâmicas, as instabilidades de Rayleigh-Taylor e de Kelvin-Helmholtz. Para isso, iremos construir um novo sistema experimental combinando as últimas tecnologias desenvolvidas para experimentos de átomos ultrafrios, possibilitando o desenvolvimento de instabilidades hidrodinâmicas quânticas e o estudo da evolução do sistema.*** FAPESP Chamada Projeto Inicial (PI) 2022 - Processo: 2022/02709-6 ***

Neste projeto buscamos realizar a produção de gases bidimensionais uniformes de átomos de potássio-39 com interação variável a fim de estudar a transição de fase para a fase superfluida (transição BKT) em diferentes regimes de interação.

Fluídos compostos de dois componentes apresentam diferentes regimes de miscibilidade de acordo com a razão entre as interações intra- e inter-componentes. No caso de condensados de Bose-Einstein de duas espécies atômicas aprisionadas, as regiões de miscibilidade só podem ser completamente definidas se considerarmos a interação entre as espécies, suas massas e seu número de átomos. Neste projeto propomos a construção de um novo sistema experimental capaz de produzir condensados de Bose-Einstein de duas espécies atômicas, 23Na e 41K, com interação variável a fim de caracterizar os diferentes regimes de miscibilidade.

A dimensionalidade de um sistema tem papel crucial nas propriedades de suas transições de fase. No caso de sistemas bidimensionais, transições de fase de segunda ordem associadas a quebra espontânea de simetria e o aparecimento de um parâmetro de ordem (congelamento de água, supercondutividade em condutores metálicos, etc.) são suprimidas com a ajuda de flutuações térmicas e quânticas. Ainda assim, uma transição de fase superfluída pode ser observada com a ocorrência de um transição de fase topológica, a transição BerezinskiiKosterlitzThouless (BKT). Neste projeto propomos um estudo detalhado das propriedades de um gás de bósons bidimensional e uniforme ao cruzarmos esta transição.

A turbulência quântica inicialmente observada em sistemas de hélio superfluído tem sido uma das principais linhas de pesquisa envolvendo condensados de Bose-Einstein atômicos. O alto grau de controle destes sistemas tem possibilitado uma investigação sistemática de suas propriedades e a comparação com o esperado para turbulência em fluídos clássicos. Neste projeto propomos a geração de vórtices e turbulência quântica em um condensado de duas espécies, 23Na-41K, com interação variável. A dinâmica dessa turbulência "binária" e a transferência de vorticidade entre as espécies de acordo com a interação entre os condensados estão entre os principais objetivos deste projeto.