Físicos criam um novo estado da matéria a partir da sopa quântica de partículas magneticamente estranhas

A nova fase da matéria poderia ser usada para projetar computadores quânticos ainda melhores.

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O novo material funciona formando triângulos a partir dos estados de spin de um átomo. Créditos: Phillip Tur via Shutterstock.

Por Ben Turner
Publicado na Live Science

Cientistas identificaram pela primeira vez um estado da matéria há muito tempo hipotético e nunca antes visto em laboratório.

Ao disparar lasers em uma rede ultrafria de átomos de rubídio, os cientistas transformaram os átomos em uma sopa emaranhada de incerteza quântica conhecida como líquido de spin quântico.

Os átomos dessa sopa magnética quântica rapidamente se conectaram, ligando seus estados em todo o material em um processo denominado emaranhamento quântico. Isso significa que qualquer mudança em um átomo causa mudanças imediatas em todos os outros do material; essa descoberta pode abrir caminho para o desenvolvimento de computadores quânticos ainda melhores, disseram os pesquisadores em um estudo que descreveu suas descobertas em 3 de dezembro na revista Science.

“É um momento muito especial no campo”, disse o autor sênior Mikhail Lukin, um professor de física na Universidade de Harvard e codiretor da Iniciativa Quantum Harvard, em um comunicado. “Você pode realmente tocar, mexer e cutucar esse estado exótico e manipulá-lo para entender suas propriedades. É um novo estado da matéria que as pessoas nunca foram capazes de observar”.

Teorizado pela primeira vez em 1973 pelo físico Philip Anderson, os líquidos quânticos de spin surgem quando os materiais são persuadidos a desobedecer às regras usuais que governam seu comportamento magnético.

Os elétrons têm uma propriedade chamada spin, um tipo de momento angular quântico, que pode apontar para cima ou para baixo. Em ímãs normais (como os que as pessoas colocam na geladeira), os spins dos elétrons vizinhos se orientam até que todos apontem na mesma direção, gerando um campo magnético. Em materiais não magnéticos, os spins de dois elétrons vizinhos podem virar para se oporem. Mas em ambos os casos, os minúsculos polos magnéticos formam um padrão regular.

Em líquidos de spin quântico, entretanto, os elétrons se recusam a escolher. Em vez de ficarem próximos um do outro, os elétrons são organizados em uma rede triangular, de modo que qualquer elétron tenha dois vizinhos imediatos. Dois elétrons podem alinhar seus spins, mas um terceiro sempre será estranho a eles, destruindo o delicado equilíbrio e criando uma confusão constante de elétrons agitados.

Esse estado confuso é o que os pesquisadores chamam de ímã de “frustração”. Como os estados de spin não sabem mais para que lado apontar, os elétrons e seus átomos são lançados em uma estranha combinação de estados quânticos chamada sobreposição quântica. Os spins sempre oscilantes agora existem simultaneamente enquanto giram para cima e para baixo, e a troca constante faz com que os átomos em todo o material se emaranhe uns nos outros em um estado quântico complexo.

Os pesquisadores não puderam estudar diretamente o líquido de spin quântico ideal, então eles criaram um fac-símile quase perfeito em outro sistema experimental. Eles resfriaram uma série de 219 átomos de rubídio emaranhados – que podem ser usados ​​para projetar e simular minuciosamente vários processos quânticos – a temperaturas de cerca de 10 microkelvins (perto de zero absoluto ou menos – 273,15 graus Celsius).

Ocasionalmente, um dos elétrons em um átomo está em um nível de energia muito mais alto do que os outros, colocando o átomo no que é conhecido como estado de Rydberg. Muito parecido com os estados de spin, as regras estranhas da mecânica quântica garantem que um átomo não queira estar em um estado Rydberg se seu vizinho estiver. Ao disparar lasers em certos átomos dentro da matriz, os pesquisadores imitaram o cabo de guerra de três vias visto em um líquido tradicional de spin quântico.

Após a criação de sua sopa quântica de Rydberg, os pesquisadores realizaram testes na matriz e confirmaram que seus átomos ficaram emaranhados em todo o material. Eles criaram um líquido de spin quântico.

Os cientistas então voltaram sua atenção para um teste de prova de conceito para sua aplicação potencial: projetar os qubits, ou bits quânticos, de um computador quântico. Enquanto os computadores comuns usam bits, ou 0s e 1s, para formar a base de todos os cálculos, os computadores quânticos usam qubits, que podem existir em mais de um estado ao mesmo tempo. Qubits, no entanto, são incrivelmente frágeis; qualquer interação com o mundo exterior pode destruir facilmente as informações que eles carregam.

Mas a natureza especial do emaranhamento de todo o material do líquido de spin quântico, entretanto, poderia permitir um armazenamento de informações muito mais robusto. Isso porque, em vez de codificar as informações quânticas em apenas um qubit, ele poderia permitir que as informações fossem contidas na forma – ou na topologia – que os estados de spin emaranhados fazem em todo o próprio material; criando um “qubit topológico”. Ao codificar informações na forma constituída por várias partes, em vez de apenas uma parte, o qubit topológico tem muito menos probabilidade de perder todas as suas informações.

A prova de conceito dos pesquisadores criou apenas um minúsculo qubit topológico, com apenas algumas dezenas de átomos de comprimento, mas, no futuro, eles esperam criar outros muito maiores e mais práticos.

“Aprender como criar e usar esses qubits topológicos representaria um grande passo em direção à realização de computadores quânticos confiáveis”, disse a coautora Giulia Semeghini, física quântica da Universidade de Harvard, no comunicado. “Mostramos os primeiros passos sobre como criar este qubit topológico, mas ainda precisamos demonstrar como você pode realmente codificá-lo e manipulá-lo. Agora há muito mais para explorar”.