Uma descoberta quântica que quebra as regras do aquecimento

Os físicos esperam o mesmo comportamento em escalas muito menores. Em sistemas quânticos compostos de muitas partículas em interação, normalmente presume-se que a excitação contínua causa absorção constante de energia. À medida que a energia aumenta, o sistema deve aquecer. Mas uma experiência recente sugere que esta intuição nem sempre se aplica ao nível quântico.

Pesquisadores do grupo de Hanns Christoph Nägerl, do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck, decidiram testar se um sistema quântico fortemente impulsionado deve inevitavelmente aquecer. A resposta deles foi inesperada.

Um gás quântico que para de absorver energia

A equipe criou um fluido quântico unidimensional feito de átomos fortemente interagindo, resfriados a apenas alguns nanokelvin acima do zero absoluto. Usando luz laser, eles submeteram os átomos a um potencial de rede que ligava e desligava rápida e repetidamente. Essa configuração criou um ambiente pulsado regularmente que acionou os átomos repetidamente.

Nessas condições, os átomos deveriam ter absorvido energia continuamente, semelhante à forma como o movimento se desenvolve em um trampolim quando alguém continua pulando. Em vez disso, os pesquisadores observaram uma mudança surpreendente. Após um curto período inicial, a propagação do impulso dos átomos parou. A energia cinética do sistema parou de aumentar e se estabilizou.

Embora os átomos ainda estivessem sendo impulsionados e continuassem a interagir fortemente uns com os outros, eles não absorviam mais energia. O sistema entrou em um estado conhecido como localização dinâmica de muitos corpos (MBDL). Neste estado, o movimento fica bloqueado no espaço do momento, em vez de se espalhar livremente.

“Neste estado, a coerência quântica e o emaranhamento de muitos corpos evitam que o sistema termalize e mostre um comportamento difusivo, mesmo sob condução externa sustentada”, explica Hanns Christoph Nägerl. “A distribuição de impulso essencialmente congela e retém qualquer estrutura que possua.”

Um resultado ordenado que desafiou as expectativas

O resultado surpreendeu até os cientistas envolvidos. O autor principal, Yanliang Guo, admitiu que o comportamento ia contra o que eles haviam previsto. “Inicialmente esperávamos que os átomos começassem a voar por toda parte. Em vez disso, eles se comportaram de uma maneira surpreendentemente ordenada.”

Lei Ying, colaborador teórico da Universidade Zhejing em Hangzhou, China, compartilhou essa reação. “Isso não corresponde à nossa expectativa ingênua. O que é surpreendente é o fato de que, em um sistema fortemente impulsionado e em forte interação, a coerência de muitos corpos pode evidentemente interromper a absorção de energia. Isso vai contra a nossa intuição clássica e revela uma estabilidade notável enraizada na mecânica quântica.”

Ying também destacou que recriar esse comportamento usando simulações clássicas de computador é extremamente desafiador. “É por isso que precisamos de experimentos. Eles andam de mãos dadas com nossas simulações teóricas.”

Por que a coerência quântica é importante

Para ver quão robusto era realmente esse estado incomum, os pesquisadores alteraram o experimento adicionando aleatoriedade à sequência de condução. O efeito foi imediato. Mesmo uma pequena quantidade de desordem foi suficiente para destruir a localização.

Depois que a coerência foi interrompida, os átomos se comportaram de maneira mais convencional. Seu impulso se espalhou novamente, a energia cinética aumentou rapidamente e o sistema voltou a absorver energia sem limites. “Este teste destacou que a coerência quântica é crucial para prevenir a termalização em tais sistemas de muitos corpos”, diz Nägerl.

Implicações para futuras tecnologias quânticas

A descoberta do MBDL tem implicações que vão muito além da física básica. Prevenir o aquecimento indesejado é um dos maiores desafios enfrentados pelo desenvolvimento de simuladores quânticos e computadores quânticos. Esses dispositivos dependem da manutenção de estados quânticos delicados que podem ser facilmente perdidos através do acúmulo de energia e da decoerência.

“Este experimento fornece uma maneira precisa e altamente ajustável de explorar como os sistemas quânticos podem resistir à atração do caos”, diz Guo. Ao mostrar que o aquecimento pode ser totalmente interrompido nas condições certas, as descobertas desafiam suposições de longa data sobre como a matéria quântica se comporta.

O estudo abre novos caminhos para a compreensão de como os sistemas quânticos podem permanecer estáveis ​​mesmo quando afastados do equilíbrio.

A pesquisa foi publicada em Ciência e recebeu apoio financeiro do Fundo Austríaco para a Ciência FWF, da Agência Austríaca de Promoção da Pesquisa FFG e da União Europeia, entre outros.