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    Os cientistas ouvem dois átomos conversando

    A impressão do artista sobre o experimento, onde um pulso elétrico é aplicado a um átomo de titânio. Como resultado, seu momento magnético muda repentinamente. Um átomo de titânio vizinho (direita) reage a este movimento, mas não consegue acompanhar o movimento rápido. Como tal, uma troca de informações quânticas magnéticas entre os átomos é iniciada. Crédito:TU Delft / Scixel

    Como os materiais se comportam depende das interações entre incontáveis ​​átomos. Você pode ver isso como um bate-papo em grupo gigante no qual os átomos estão continuamente trocando informações quânticas. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft em colaboração com a Universidade RWTH Aachen e o Centro de Pesquisa Jülich agora foram capazes de interceptar uma conversa entre dois átomos. Eles apresentam suas descobertas em Ciência em 28 de maio.

    Átomos, claro, realmente não fale. Mas eles podem reagir um ao outro. Este é particularmente o caso de átomos magnéticos. "Cada átomo carrega um pequeno momento magnético chamado spin. Esses spins influenciam uns aos outros, como as agulhas de bússola fazem quando você os aproxima. Se você der um empurrão em um deles, eles começarão a se mover juntos de uma maneira muito específica, "explica Sander Otte, líder da equipe que realizou a pesquisa. "Mas de acordo com as leis da mecânica quântica, cada giro pode apontar simultaneamente em várias direções, formando uma superposição. Isso significa que a transferência real de informações quânticas ocorre entre os átomos, como algum tipo de conversa. "

    Agulha afiada

    Em grande escala, esse tipo de troca de informações entre átomos pode levar a fenômenos fascinantes. Um exemplo clássico é a supercondutividade:o efeito em que alguns materiais perdem toda a resistividade elétrica abaixo de uma temperatura crítica. Embora seja bem compreendido para os casos mais simples, ninguém sabe exatamente como esse efeito ocorre em muitos materiais complexos. Mas é certo que as interações quânticas magnéticas desempenham um papel fundamental. Com o propósito de tentar explicar fenômenos como este, os cientistas estão muito interessados ​​em poder interceptar essas trocas; para ouvir as conversas entre os átomos.

    Na equipe de Otte, eles tratam disso de maneira bastante direta:eles literalmente colocam dois átomos próximos um do outro para ver o que acontece. Isso é possível em virtude de um microscópio de tunelamento de varredura:um dispositivo no qual uma agulha afiada pode sondar os átomos um por um e pode até mesmo reorganizá-los. Os pesquisadores usaram este dispositivo para colocar dois átomos de titânio a uma distância de pouco mais de um nanômetro - um milionésimo de milímetro - um do outro. Naquela distância, os átomos são apenas capazes de detectar o spin uns dos outros. Se você agora torcer um dos dois giros, a conversa começaria por si mesma.

    Usualmente, essa torção é realizada enviando sinais de rádio muito precisos aos átomos. Essa técnica chamada de ressonância de spin - que lembra bastante o princípio de funcionamento de um scanner de ressonância magnética encontrado em hospitais - é usada com sucesso na pesquisa de bits quânticos. Esta ferramenta também está disponível para a equipe Delft, mas tem uma desvantagem. "É simplesmente muito lento, "diz o estudante de doutorado Lukas Veldman, autor principal no Ciência publicação. "Você mal começou a torcer um giro antes que o outro comece a girar. Dessa forma, você nunca pode investigar o que acontece ao colocar os dois giros em direções opostas."

    Abordagem pouco ortodoxa

    Então, os pesquisadores tentaram algo não ortodoxo:eles inverteram rapidamente o spin de um dos dois átomos com uma explosão repentina de corrente elétrica. Para sua surpresa, esta abordagem drástica resultou em uma bela interação quântica, exatamente pelo livro. Durante o pulso, elétrons colidem com o átomo, fazendo com que seu spin gire. Otte:"Mas sempre assumimos que durante este processo, a delicada informação quântica - a chamada coerência - foi perdida. Afinal, os elétrons são incoerentes:a história de cada elétron antes da colisão é ligeiramente diferente e esse caos é transferido para o spin do átomo, destruindo qualquer coerência. "

    O fato de que agora isso não parece ser verdade foi motivo de algum debate. Pelo visto, cada elétron aleatório, independentemente de seu passado, pode iniciar uma superposição coerente:uma combinação específica de estados quânticos elementares que é totalmente conhecido e que forma a base para quase todas as formas de tecnologia quântica.

    Superposição perfeita

    "O ponto crucial é que depende da pergunta que você faz, "argumenta Markus Ternes, co-autor da RWTH Aachen University e do Research Centre Jülich. "O elétron inverte o spin de um átomo fazendo com que ele aponte, dizer, Para a esquerda. Você pode ver isso como uma medida, apagando toda a memória quântica. Mas do ponto de vista do sistema combinado que compreende os dois átomos, a situação resultante não é tão mundana. Para os dois átomos juntos, o novo estado constitui uma superposição perfeita, possibilitando a troca de informações entre eles. Para que isso aconteça, é crucial que os dois spins se tornem emaranhados:um estado quântico peculiar no qual eles compartilham mais informações um sobre o outro do que classicamente possível. "

    A descoberta pode ser importante para a pesquisa de bits quânticos. Talvez também nessa pesquisa você pudesse se safar sendo um pouco menos cuidadoso ao inicializar estados quânticos. Mas, para Otte e sua equipe, é principalmente o ponto de partida para experimentos ainda mais bonitos. Veldman:"aqui usamos dois átomos, mas o que acontece quando você usa três? Ou dez, ou mil? Ninguém pode prever isso, já que o poder de computação fica aquém de tais números. Talvez um dia possamos ouvir conversas quânticas que ninguém jamais ouviu antes. "


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