Ressonância de Feshbach - Feshbach resonance

Na física , uma ressonância de Feshbach pode ocorrer após a colisão de dois átomos lentos , quando eles ficam temporariamente juntos formando um composto instável com vida curta (a chamada ressonância). É uma característica dos sistemas de muitos corpos em que um estado vinculado é alcançado se o (s) acoplamento (s) entre pelo menos um grau de liberdade interno e as coordenadas da reação , que levam à dissociação , desaparecem. A situação oposta, quando um estado ligado não é formado, é uma ressonância de forma . O nome é uma homenagem a Herman Feshbach , físico do MIT .

As ressonâncias de Feshbach tornaram-se importantes no estudo de sistemas de átomos frios , incluindo gases Fermi e condensados ​​de Bose-Einstein (BECs). No contexto de processos de espalhamento em sistemas de muitos corpos, a ressonância de Feshbach ocorre quando a energia de um estado ligado de um potencial interatômico é igual à energia cinética de um par de átomos em colisão. Em configurações experimentais, as ressonâncias de Feshbach fornecem uma maneira de variar a força de interação entre os átomos na nuvem, alterando o comprimento de espalhamento, a _sc , de colisões elásticas. Para espécies atômicas que possuem essas ressonâncias (como K ³⁹ e K ⁴⁰ ), é possível variar a força de interação aplicando um campo magnético uniforme. Entre muitos usos, esta ferramenta serviu para explorar a transição de um BEC de moléculas fermiônicas para pares de férmions de interação fraca, o BCS em nuvens de Fermi. Para os BECs, as ressonâncias de Feshbach têm sido usadas para estudar um espectro de sistemas desde os gases de Bose ideais não interagentes até o regime unitário de interações.

Introdução

O potencial interatômico do canal aberto (vermelho) e fechado (azul) é mostrado. Quando a energia de entrada dos átomos livres, dada pela linha pontilhada, é aproximadamente equivalente à do estado ligado no canal fechado, um estado molecular temporário pode se formar.

Considere um evento geral de espalhamento quântico entre duas partículas. Nesta reação, existem duas partículas de reagente denotadas por A e B , e duas partículas de produto denotadas por A ' e B' . Para o caso de uma reação (como uma reação nuclear ), podemos denotar este evento de espalhamento por

${\ displaystyle A + B \ rightarrow A '+ B'}$ ou . ${\ displaystyle A (B, B ') A'}$

A combinação das espécies e estados quânticos das duas partículas reagentes antes ou depois do evento de espalhamento é chamada de canal de reação. Especificamente, as espécies e estados de A e B constituem o canal de entrada , enquanto os tipos e estados de A ' e B' constituem o canal de saída . Um canal de reação energeticamente acessível é conhecido como canal aberto , enquanto um canal de reação proibido pela conservação de energia é conhecido como canal fechado.

Considere a interacção de duas partículas A e B em um canal de entrada C . As posições dessas duas partículas são dadas por e , respectivamente. A energia de interação das duas partículas geralmente dependerá apenas da magnitude da separação , e essa função, às vezes chamada de curva de energia potencial , é denotada por . Freqüentemente, esse potencial terá um mínimo pronunciado e, portanto, admitirá estados vinculados . ${\ displaystyle {\ vec {r}} _ {A}}$${\ displaystyle {\ vec {r}} _ {B}}$${\ displaystyle R \ equiv | {\ vec {r}} _ {A} - {\ vec {r}} _ {B} |}$${\ displaystyle V_ {c} (R)}$

A energia total das duas partículas no canal de entrada é

${\ displaystyle E = T + V_ {C} (R) + \ Delta ({\ vec {P}})}$ ,

onde denota a energia cinética total do movimento relativo (o movimento do centro de massa não desempenha nenhum papel na interação de dois corpos), é a contribuição para a energia dos acoplamentos aos campos externos e representa um vetor de um ou mais parâmetros, tais como campo magnético ou campo elétrico . Consideramos agora um segundo canal de reaco, indicado por D , que é fechada para grandes valores de R . Deixe esta curva potencial admitir um estado limitado com energia . ${\ displaystyle T}$${\ displaystyle \ Delta}$${\ displaystyle {\ vec {P}}}$${\ displaystyle V_ {D} (R)}$${\ displaystyle E_ {D}}$

Uma ressonância de Feshbach ocorre quando

${\ displaystyle E_ {D} \ approx T + V_ {C} (R) + \ Delta ({\ vec {P}} _ {0})}$

para algum intervalo de vetores de parâmetro . Quando essa condição é satisfeita, qualquer acoplamento entre o canal C e o canal D pode dar origem a uma mixagem significativa entre os dois canais; isso se manifesta como uma dependência drástica do resultado do evento de espalhamento no parâmetro ou parâmetros que controlam a energia do canal de entrada. Esses acoplamentos podem surgir de interações de troca de spin ou interações dependentes de spin relativísticas. ${\ displaystyle \ lbrace {\ vec {P}} _ {0} \ rbrace}$

Ressonância Magnética de Feshbach

Em experimentos atômicos ultracold, a ressonância é controlada por meio do campo magnético e assumimos que a energia cinética é de aproximadamente 0. Como os canais diferem em graus de liberdade internos, como spin e momento angular, sua diferença de energia depende do Zeeman efeito . O comprimento de espalhamento é modificado como ${\ displaystyle T}$${\ displaystyle {\ vec {B}}}$

${\ displaystyle a = a_ {bg} (1 + {\ frac {\ Delta} {B-B_ {0}}})}$

onde é o comprimento de espalhamento do fundo, é a intensidade do campo magnético onde ocorre a ressonância e é a largura da ressonância. Isso permite a manipulação do comprimento de espalhamento para 0 ou valores arbitrariamente altos. ${\ displaystyle a_ {bg}}$${\ displaystyle B_ {0}}$${\ displaystyle \ Delta}$

À medida que o campo magnético é varrido pela ressonância, os estados no canal aberto e fechado também podem se misturar e um grande número de átomos, às vezes perto de 100% de eficiência, se converte em moléculas de Feshbach. Essas moléculas têm altos estados vibracionais, portanto, elas precisam passar por uma transição para estados mais baixos e estáveis ​​para evitar a dissociação. Isso pode ser feito por meio de emissões estimuladas ou outras técnicas ópticas, como STIRAP . Outros métodos incluem induzir a emissão estimulada por meio de um campo magnético oscilante e termalização átomo-molécula.

Ressonâncias de Feshbach em travessias evitadas

Nas moléculas, os acoplamentos não diabáticos entre dois potenciais adiabáticos constroem a região do cruzamento evitado (AC). As ressonâncias rovibrônicas na região AC de potenciais dois acoplados são muito especiais, uma vez que não estão na região de estado ligado dos potenciais adiabáticos, e geralmente não desempenham papéis importantes no espalhamento e são menos discutidos. Yu Kun Yang et al estudaram este problema no New J. Phys. 22 (2020). Exemplificado no espalhamento de partículas, as ressonâncias na região AC são amplamente investigadas. Os efeitos das ressonâncias na região AC nas seções transversais de espalhamento dependem fortemente dos acoplamentos não adiabáticos do sistema, podem ser muito significativos como picos agudos ou imperceptíveis enterrados no fundo. Mais importante, mostra que uma quantidade simples proposta por Zhu e Nakamura para classificar a força de acoplamento de interações não-adiabáticas, pode ser bem aplicada para estimar quantitativamente a importância das ressonâncias na região AC.

Estado instável

Um estado virtual, ou estado instável, é um estado limitado ou transitório que pode decair para um estado livre ou relaxar em alguma taxa finita. Este estado pode ser o estado metaestável de uma certa classe de ressonância de Feshbach, "Um caso especial de ressonância do tipo Feshbach ocorre quando o nível de energia está próximo ao topo do poço de potencial. Tal estado é chamado de 'virtual ' " e pode ainda ser contrastada com uma ressonância de forma dependendo do momento angular. Por causa de sua existência transitória, eles podem exigir técnicas especiais de análise e medição, por exemplo.

Referências

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