Um fenômeno físico exótico, envolvendo ondas ópticas, campos magnéticos sintéticos, e reversão de tempo, foi observado diretamente pela primeira vez, após décadas de tentativas. A nova descoberta pode levar a realizações do que são conhecidas como fases topológicas, e, eventualmente, para avanços em direção a computadores quânticos tolerantes a falhas, dizem os pesquisadores.

A nova descoberta envolve o Efeito Aharonov-Bohm não Abeliano e é relatada hoje na revista Ciência pelo estudante de pós-graduação do MIT Yi Yang, Chao Peng (professor da Universidade de Pequim), professor visitante do MIT, Di Zhu, estudante de pós-graduação do MIT, Professor Hrvoje Buljan da Universidade de Zagreb, na Croácia, Francis Wright Davis Professor de Física John Joannopoulos no MIT, Professor Bo Zhen da Universidade da Pensilvânia, e o professor de física do MIT, Marin Soljacic.

A descoberta está relacionada aos campos de medição, que descrevem as transformações que as partículas sofrem. Os campos de medição se dividem em duas classes, conhecido como Abeliano e não Abeliano. O Efeito Aharonov-Bohm, nomeado após os teóricos que o previram em 1959, confirmou que os campos de calibre - além de ser um auxílio matemático puro - têm consequências físicas.

Mas as observações só funcionaram em sistemas Abelianos, ou aqueles em que os campos de calibre são comutativos, isto é, eles acontecem da mesma maneira, tanto para a frente quanto para trás no tempo. Em 1975, Tai-Tsun Wu e Chen-Ning Yang generalizaram o efeito para o regime não-abeliano como um experimento mental. No entanto, não ficou claro se seria mesmo possível observar o efeito em um sistema não Abeliano. Os físicos não tinham maneiras de criar o efeito no laboratório, e também faltava maneiras de detectar o efeito, mesmo que pudesse ser produzido. Agora, ambos os quebra-cabeças foram resolvidos, e as observações realizadas com sucesso.

O efeito tem a ver com um dos aspectos estranhos e contra-intuitivos da física moderna, o fato de que virtualmente todos os fenômenos físicos fundamentais são invariantes no tempo. Isso significa que os detalhes da maneira como as partículas e as forças interagem podem ser executados para frente ou para trás no tempo, e um filme de como os eventos se desenrolam pode ser executado em qualquer direção, então não há como saber qual é a versão real. Mas alguns fenômenos exóticos violam essa simetria de tempo.

Criar a versão Abeliana dos efeitos Aharonov-Bohm requer quebrar a simetria da reversão do tempo, uma tarefa desafiadora em si, Soljacic diz. Mas, para alcançar a versão não Abeliana do efeito, é necessário interromper essa reversão de tempo várias vezes, e de maneiras diferentes, tornando-o um desafio ainda maior.

Para produzir o efeito, os pesquisadores usam polarização de fótons. Então, eles produziram dois tipos diferentes de interrupção da reversão do tempo. Eles usaram fibra óptica para produzir dois tipos de campos de medição que afetaram as fases geométricas das ondas ópticas, primeiro, enviando-os através de um cristal enviesado por poderosos campos magnéticos, e segundo, modulando-os com sinais elétricos variáveis ​​no tempo, ambos quebram a simetria da reversão do tempo. Eles foram então capazes de produzir padrões de interferência que revelaram as diferenças em como a luz foi afetada quando enviada através do sistema de fibra óptica em direções opostas, sentido horário ou anti-horário. Sem a quebra da invariância de reversão do tempo, as vigas deveriam ser idênticas, mas ao invés, seus padrões de interferência revelaram conjuntos específicos de diferenças, conforme previsto, demonstrando os detalhes do efeito indescritível.

O original, A versão Abeliana do efeito Aharonov-Bohm "foi observada com uma série de esforços experimentais, mas o efeito não-Abeliano não foi observado até agora, "Yang diz. A descoberta" nos permite fazer muitas coisas, " ele diz, abrindo a porta para uma ampla variedade de experiências em potencial, incluindo regimes físicos clássicos e quânticos, para explorar variações do efeito.

A abordagem experimental concebida por esta equipe "pode ​​inspirar a realização de fases topológicas exóticas em simulações quânticas usando fótons, polaritons, gases quânticos, e qubits supercondutores, "Soljacic diz. Para a própria fotônica, isso pode ser útil em uma variedade de aplicações optoeletrônicas, ele diz. Além disso, os campos de calibre não Abelianos que o grupo foi capaz de sintetizar produziram uma fase de Berry não Abeliana, e "combinado com interações, pode, potencialmente, um dia servir como uma plataforma para computação quântica topológica tolerante a falhas, " ele diz.

Neste ponto, o experimento é principalmente de interesse para pesquisas de física fundamental, com o objetivo de obter uma melhor compreensão de alguns fundamentos básicos da teoria física moderna. As muitas aplicações práticas possíveis "exigirão avanços adicionais daqui para frente, "Soljacic diz.

Por uma coisa, para computação quântica, o experimento precisaria ser ampliado de um único dispositivo para provavelmente uma rede inteira deles. E em vez dos feixes de luz laser usados ​​em seu experimento, exigiria trabalhar com uma fonte de fótons individuais individuais. Mas mesmo em sua forma atual, o sistema pode ser usado para explorar questões em física topológica, que é uma área muito ativa de pesquisa atual, Soljacic diz.