Pela primeira vez, um novo estado da matéria foi observado dentro do gás quântico

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(Créditos: MR.Cole_Photographer/Moment/Getty Images)

Traduzido por Julio Batista
Original de Mike McRae para o ScienceAlert

Os físicos observaram um novo estado da matéria em ação dentro de um filamento elusivo de gás quântico.

As finas cordas de gás capazes de unir gigantes soam como itens dignos de um conto de fadas dos irmãos Grimm. Mas versões desses materiais são teoricamente possíveis na física – infelizmente, na prática, eles inevitavelmente entram em colapso durante a formação.

Pesquisadores da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, descobriram que podem criar um material estável o suficiente para resistir ao colapso em uma nuvem, mesmo sob força considerável. Além do mais, eles identificaram um novo estado da matéria em funcionamento que só foi visto uma vez antes – e nunca antes no gás quântico.

É importante ressaltar que as propriedades quânticas desse gás podem garantir a ele um lugar nas futuras gerações de tecnologia da informação.

A categoria da matéria em questão tem até um nome lendário; um super gás Tonks-Girardeau. Consiste em átomos resfriados a ponto de começarem a perder seu senso de identidade individual, constrangidos a formar uma fila controlada por suas forças coletivas.

Em condições ideais, a atração entre as partículas dentro desse longo filamento de gás quântico poderia mantê-lo alinhado, mesmo sob coação. Daí porque os físicos o descrevem como ‘super’.

No entanto, dentro de equipamentos de laboratório que são longe de serem perfeitos, mesmo os super gases Tonks-Girardeau mais delicadamente ajustados não conseguem permanecer estáveis ​​por muito tempo, se contraindo em uma “bola” em algum momento do experimento.

O físico Benjamin Lev se perguntou se o elemento disprósio seria um candidato mais forte para isso. Com uma das maiores forças magnéticas da tabela periódica, ele pode se manter por um pouco mais tempo, com um pouco de suporte.

“As interações magnéticas que pudemos adicionar eram muito fracas em comparação com as interações atrativas já presentes no gás. Portanto, nossas expectativas eram de que não mudaria muito”, disse Lev.

“Mas, uau, estávamos errados.”

Acontece que um super gás Tonks-Girardeau sintonizado baseado em disprósio é exatamente o par perfeito. Não importa o que a equipe fez com ele, o gás manteve a forma.

Mesmo colocando o sistema quântico em estados de energia mais alta, eles não conseguiram fazer com que esse filamento virasse uma névoa confusa de partículas quânticas difusas.

Sondando a mecânica do processo, a equipe logo percebeu as marcas de um fenômeno bastante incomum chamado cicatriz quântica de muitos corpos.

Este estranho estado da matéria fica em algum lugar entre o caos quântico e a previsibilidade da velha física clássica, e descreve um mundo que parece contra-intuitivo à primeira vista.

Um quarto de século atrás, foi descoberto que no zumbido de um sistema quântico – onde as partículas estão em todos os lugares e em nenhum lugar ao mesmo tempo e os átomos individuais perdem seu senso de identidade – é possível que estados previsíveis surjam.

Essas cicatrizes lembram caminhos feitos ​​em um campo de futebol. Enquanto os jogadores perseguem a bola livremente por todo o campo, algumas direções parecem ter preferência sobre outras.

O desconcertante sobre a cicatriz quântica é como elas se encaixam na termodinâmica. Ao aumentar a temperatura em um grupo de partículas, elas simplesmente saltarão mais, redistribuindo a energia térmica até que todos os corpos tenham uma parte aproximadamente igual.

A cicatriz quântica de muitos corpos vai contra essa regra de equilíbrio, mantendo uma preferência por alguns estados, não importa o quanto a excitação cresça ao redor deles.

O fenômeno já foi visto antes em uma fila de átomos de rubídio, mas nunca em um gás quântico. Portanto, encontrar sinais do estado em uma cadeia resfriada de átomos de disprósio tem o potencial de revelar muito sobre como os corpos em um sistema quântico compartilham energia.

Dado que estamos destinados a um futuro repleto de tecnologias quânticas, precisaremos saber o máximo possível sobre como remover o calor dos computadores do futuro.

Mas as cicatrizes quânticas podem ser potencialmente úteis para o armazenamento de informações quânticas, ou servir como uma espécie de simulador em laboratório para estudar sistemas quânticos.

Deixando de lado as especulações sobre os usos práticos, Lev vê o trabalho como fundamental para a compreensão do cenário quântico. As aplicações podem vir mais tarde.

“Se você comparar a ciência quântica com o ponto em que estávamos quando descobrimos o que precisávamos saber para construir fábricas químicas, digamos, é como se estivéssemos fazendo o trabalho do final do século 19 agora”, disse Lev.

Um filamento de gás com cicatrizes quânticas é apenas o começo de uma busca por alguns destinos verdadeiramente incríveis.

Esta pesquisa foi publicada na Science.