p Em objetos do dia a dia, não há esquerda sem direita ou frente sem costas. Tão inseparáveis ​​quanto parecem ser a carga elétrica do elétron e seu "spin". Mas em um mundo quântico estritamente unidimensional, ambas as propriedades quânticas são separáveis ​​uma da outra. Esta previsão de 50 anos agora foi confirmada por um experimento conduzido por uma equipe do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Munique (MCQST). p Os físicos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching estão desempenhando um papel importante. Por sua demonstração de sucesso, que agora está publicado na revista Ciência ("Observação Resolvida pelo Tempo de Deconfinamento de Carga Spin em Cadeias de Hubbard Fermionic"), eles usaram o chamado simulador quântico. Esse computador quântico especializado pode estimar com precisão as propriedades quânticas de um material, o que é um desafio impossível para os supercomputadores convencionais de hoje.

p "Como cientista, quando você pensa em um elétron, você pensa em uma unidade ligada com uma certa carga elétrica e um certo spin, "explica Jayadev Vijayan, Ph.D. aluno do grupo de Christian Gross e Immanuel Bloch, diretor do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching. O spin pode ser imaginado como uma espécie de giroscópio da mecânica quântica. Mas é muito mais, porque seu spin especial transforma um elétron em um férmion com propriedades quânticas que fornecem também a base da eletrônica de semicondutores de hoje.

p Portanto, a carga e o spin de um elétron são considerados inseparavelmente conectados. Mas mais de 50 anos atrás, os cientistas chegaram a uma surpreendente constatação de que, em um mundo estritamente unidimensional, esta união confiável de carga e rotação poderia ser separável. Se você puxar um colar de pérolas aberto em linha reta como uma flecha, você basicamente criou um mundo unidimensional.

p No experimento, as pérolas são átomos magnéticos. Em cada um desses átomos há um elétron especial cujo spin não blindado transforma o átomo em uma pequena agulha magnética. Uma vez que os pólos opostos das agulhas magnéticas se atraem, contas de agulha magnética vizinhas na corda se alinham em direções opostas:um pólo norte aponta em uma posição para cima, o próximo pólo norte vizinho para baixo, então o próximo, mas um para cima novamente, portanto, é uma cadeia de giros alternados apontando para cima e para baixo (veja a figura).

p Este é o ponto de partida do experimento. A previsão agora diz:Se tal cadeia de pérolas quânticas unidimensional for perturbada, então, a carga e o spin de um elétron podem se separar em uma pérola atômica. Então, ambos devem correr ao longo da cadeia como duas quasipartículas separadas. Essas quasipartículas podem ser imaginadas como um balde de água e um balde de areia, que são passados ​​em velocidades diferentes em uma cadeia de extinção de incêndio.

p A equipe de Munique também enfrentou um desafio experimental. A nanotecnologia de hoje pode produzir "cadeias de pérolas" atômicas unidimensionais.

p "Mas os elétrons são separados por uma distância da ordem de um décimo de nanômetro, "explica o aluno de Ph.D.. Aproximadamente um décimo de bilionésimo de um metro é típico para a distância entre os átomos em materiais. Isso é muito pequeno para observar em um microscópio, tornando impossível estudar seu comportamento.

p O simulador quântico

p É aqui que o simulador quântico de Munique entra em jogo. Em princípio, funciona como substituir o cordão do colar de pérolas por um elástico. E o elástico é separado de modo que a distância entre as contas atômicas seja de aproximadamente 10, 000 vezes maior. Esta faixa de micrômetro agora pode ser determinada por um microscópio de luz. Os minúsculos átomos se tornam visíveis quando a luz do laser faz com que eles se acendam.

p No experimento, o "elástico" consiste em uma grade de feixes de luz laser que se cruzam. Cada interseção de luz age como uma pequena armadilha que captura um átomo, neste caso, um átomo de lítio. Para fazê-los se comportar como elétrons em materiais reais, eles devem primeiro ser resfriados a temperaturas ultrabaixas no vácuo.

p Os átomos de lítio são fermiônicos, ou seja, pequenos ímãs carregados por um spin de elétron sem blindagem. Agora, os físicos tiveram que inventar um truque para tornar esse spin visível em seu simulador quântico. Para fazer isso, eles afrouxam os grilhões da luz por um curto período na presença de um campo magnético especialmente projetado. O resultado:os átomos se cortam ligeiramente para cima ou para baixo da cadeia de pérolas, dependendo da direção de seu giro.

p Sonho de Feynman

p Assim que a cadeia de átomos é preparada, os físicos chutam um átomo do meio da cadeia com luz laser. Esta perturbação, chamado "quench, "cria duas quasipartículas na cadeia. A primeira quasipartícula é o buraco deixado pelo átomo ejetado. Este" hólon "contém a propriedade quântica da carga do elétron. A segunda quasipartícula, chamado spinon, consiste nos dois spins paralelos adjacentes deixados para trás pela lacuna do hólon. Comparado com o fundo de giros alternados apontando para cima e para baixo, este spinon carrega um excesso de spin da têmpera.

p Com seu simulador quântico, a equipe foi capaz de acompanhar exatamente como as duas perturbações viajam ao longo da cadeia atômica. Na verdade, descobriu-se que eles se movem em velocidades diferentes e não estão unidos. Carga e giro são, portanto, completamente independentes um do outro e perfeitamente separados - assim como os baldes de água e areia na corrente de extinção de incêndio.

p Por um lado, este resultado é empolgante do ponto de vista da pesquisa básica em física quântica. A separabilidade de carga e spin pode um dia também encontrar aplicações fascinantes na tecnologia da informação quântica. Sobre tudo, Contudo, o experimento de Garching demonstra com sucesso que os simuladores quânticos estão se desenvolvendo em uma tecnologia a ser levada a sério.

p Nos anos 1980, o famoso ganhador do Prêmio Nobel Richard Feynman sonhou que seria possível entender o comportamento dos sistemas quânticos dos materiais, que são difíceis de acessar experimentalmente, usando sistemas quânticos análogos que eram perfeitamente acessíveis e controláveis. Mesmo os supercomputadores convencionais falham em calcular alguns desses sistemas quânticos com exatidão. Mas essa possibilidade elegante é oferecida por átomos ultracold em grades de luz.

p "No futuro, isso pode permitir o design direcionado de novos materiais que, por exemplo, tornam-se supercondutores à temperatura ambiente, "diz Jayadev Vijayan. O sonho de Feynman de um simulador quântico está agora se tornando realidade.