Como seu nome indica, a linha de pesquisa principal do grupo é a investigação das propriedades dos sistemas de muitos corpos quânticos. Além do interesse intrínseco que a física destes sistemas apresenta, fenômenos surpreendentes da mecânica quântica que, em princípio, deveriam se resumir às escalas de tamanho das partículas constituintes de um material, produzem comportamentos macroscópicos fortemente anti-intuitivos.

Sistemas de muitos corpos quânticos, superfluidez e supersolidez

Átomos de hélio em sua fase líquida apresenta um conjunto de fenômenos conhecido como superfluidez. Este sistema de muitos corpos quânticos recebeu muita atenção nas últimas décadas. Os átomos de hélio, constituídos de dois prótons e dois nêutrons, quando resfriados abaixo de uma temperatura muito baixa 2,17 K (pouco mais de dois graus acima do zero absoluto) entram em uma fase chamada de superfluida. Nesta fase, a resistência ao fluxo do fluido, ou seja, sua viscosidade cai a zero. Este fenômeno e outros são explicados pela formação de um condensado de Bose-Einstein onde os átomos não estão mais localizados.

Atualmente os sistemas formados por átomos de hélio na fase sólida vêm recebendo redobrada atenção em busca do entendimento da chamada supersolidez. Em experimentos realizados em 2004 por Eun-Seong Kim e Moses Chan ao que tudo indica, um estado da matéria até então desconhecido, foi observado. Surgiram evidências de uma diminuição do momento de inercia clássico, simplesmente quando a temperatura é abaixada até próximo ao zero absoluto. A partir de 200 mK, quanto o sistema é colocado em oscilação, parte dos átomos deixam de participar deste movimento.

Clique na figura para entrar no link com o vídeo para ver uma idealização artística do sólido oscilando com a parte superfluida desacoplada deste movimento

Uma ideia de uma possível interpretação do experimento de Kim e Chan pode ser vista na animação. Nela, é mostrado um compartimento onde o hélio esta solidificado. A solidificação somente ocorre pela aplicação de uma pressão externa de cerca de 25 atm. No aparato conhecido como pêndulo de torção, o sólido fica submetido a um movimento oscilatório. Quando parte do hélio começa apresentar um comportamento supefluido, a parte associada a esta propriedade simplesmente pára, deixando de participar do movimento de oscilação do sólido.

A supersolidez do hélio-4 foi confirmada experimentalmente por muitos grupos ao redor do mundo. Entretanto, a existência desta surpreendente propriedade, ainda não tem explicação consensual. Experimentos e simulações têm sido feitos desde sua observação para se investigar diversas hipóteses, eliminando-as ou corroborando-as, para que se possa determinar que fenômenos físicos subjacentes estão por detrás desse comportamento. Sabe-se, até agora (fevereiro de 2011), que ele é influenciado pela presença de defeitos na estrutura cristalina do hélio sólido, e de impurezas de hélio-3 – no entanto, não se sabe se esses fatores são os causadores do efeito ou se este existe mesmo em cristais perfeitos e puros, e as impurezas e defeitos apenas o intensificam. Em uma contribuição recente para a solução deste quebra-cabeças apontamos um possível papel da estrutura cristalina do hélio no deslocamento de defeitos lineares, discordâncias, nas amostras de hélio.

Simulações em computadores e o método de Monte Carlo

Física computacional é uma terceira via entre as tradicionais maneiras de se fazer física, a teórica e a experimental. Nossa principal ferramenta é a simulação em computadores. Neste tipo de abordagem, modelos que podem ser bastante complexos e relevantes para o entendimento do sistema real são estudados. Sem resolver equações, durante a simulação valores numéricos são gerados para as variáveis ou equações que determinam o modelo e suas respostas coletadas. O modelo não é resolvido, apenas suas respostas são armazenadas e tratadas por métodos estatísticos. Portanto dado um certo modelo, é possível conhecermos suas predições pormenorizadamente, e sem que nenhuma aproximação adicional a ele próprio esteja envolvida.

É comum também que as simulações supram informações impossíveis de serem obtidas nas condições experimentais que podem ser realizadas em laboratórios. A articulação entre os experimentos de laboratório e os resultados é sempre muito importante para que tenham a necessária confiabilidade. Além disso, as simulações exigem uma análise física o tempo todo, tanto para identificar que fenômenos são relevantes como para se poder interpretar adequadamente os resultados.

Métodos de Monte Carlo Quântico é nome dado a um conjunto de métodos de simulações que permitem abordar praticamente todos os aspectos dos sistemas de muitos corpos quânticos. No método variacional de Monte Carlo é possível testar as abordagens propostas por funções de ondas tentativas a um problema específico de forma direta. Assim, ganhamos uma intuição a respeito dos mecanismos físicos envolvidos na manifestação de um conjunto de propriedades. Os métodos de difusão de Monte Carlo permitem, a temperatura nula, a determinação de propriedades a partir apenas do potencial de interação das partículas do sistema. A temperatura finita, o método de integrais de trajetória de Monte Carlo fornece resultados que podem ser facilmente comparados aos dados experimentais.

A imagem abaixo mostra o gráfico da energia associada a uma falha de empilhamento da rede cristalina do hélio sólido, obtida através das técnicas de Monte Carlo.

Este gráfico é um dos resultados de um estudo sobre a influência da rede cristalina do hélio sólido no fenômeno da supersolidez. No eixo vertical, é mostrada a variação de energia do cristal por unidade de superfície quando o dividimos em duas partes e deslocamos uma delas com respeito a outra em direções do plano xy. Esta superfície é a chamada energia da falha de empilhamento. A figura da direita mostra as linhas de nível desta energia no plano xy, onde claramente vemos a simetria hexagonal do plano cristalino
R. Pessoa, S. A. Vitiello e Maurice de Koning, Physical Review Letters 104, 085301 (2010)

Pesquisa

A investigação dos sistemas de muitos corpos quânticos é o foco de nosso trabalho. Muito do nosso esforço é direcionado ao entendimento das propriedades dos sistemas formados por átomos de hélio em suas fases sólida e líquida. Simulação em computadores, os métodos de Monte Carlo quântico são as principais ferramentas utilizadas. Estes métodos são bastante gerais e podem ser utilizado em outros sistemas; já os empregamos, por exemplo, no âmbito da física nuclear. Para tanto, são usados programas de computador feitos pela própria equipe. Atenção também é dispensada ao método da dinâmica molecular, uma excelente porta de entrada para esta nova maneira de estudarmos a natureza, a física computacional.

História do grupo

A multiplicação dos grupos dedicados à simulação e à física computacional pode ser creditada ao grande desenvolvimento da capacidade dos computadores, nas últimas décadas, no mundo e no Brasil. Resultados puderam ser obtidos de uma forma que, em certas situações, é possível a determinação de algumas grandezas com maior precisão do que medidas em laboratório.

O trabalho aqui descrito e realizado no Instituto de Física tem suas origens em 1996. Desde então, esta linha de pesquisa vem evoluindo e contribuindo para aumentar o entendimento destes fascinantes fenômenos.