Os físicos da ETH Zurich observaram uma reviravolta surpreendente em um sistema quântico causada pela interação entre a dissipação de energia e a dinâmica quântica coerente. Para explicar isso, eles encontraram uma analogia concreta com a mecânica.

"Nenhum cientista pensa em fórmulas, "Albert Einstein supostamente disse uma vez a seu colega Leopold Infeld. Na verdade, especialmente para físicos, que lidam com coisas abstratas como a física quântica, muitas vezes é imensamente útil trabalhar com imagens concretas em vez de símbolos matemáticos. Uma equipe de pesquisadores liderada por Tilman Esslinger, professor do Instituto de Eletrônica Quântica da ETH Zurique, experimentaram isso quando descobriram recentemente um novo efeito em seu sistema mecânico quântico. Embora estivessem estudando átomos minúsculos e partículas de luz em seu experimento, eles puderam entender melhor suas observações por meio de uma imagem cativante:um eixo girando dentro de um rolamento. Seus resultados foram publicados recentemente na revista Ciência .

Um sistema quântico complexo

"Não estávamos realmente procurando por esse efeito, "diz Esslinger." Só em retrospectiva entendemos o que nossos dados significam. "Ele e seus colegas de trabalho abordaram um tópico muito complexo:um sistema quântico no qual as partículas individuais interagem fortemente umas com as outras e que é simultaneamente conduzido do externo e também dissipativo. "Dissipativo" significa que os estados quânticos das partículas não apenas evoluem coerentemente no tempo - isto é, de modo que seus estados de superposição permaneçam intactos. Em vez, uma conexão controlada com o mundo exterior faz com que os estados de superposição desapareçam pouco a pouco. Se a dissipação for muito forte, eles desaparecem muito rápido, e, como resultado, as partículas então se comportam quase como na física clássica, que sabemos por experiência cotidiana. Sem qualquer dissipação, por outro lado, a forma como o sistema de partículas evolui no tempo é ditada puramente pela mecânica quântica - um caso ideal que é usado por físicos para construir computadores quânticos, por exemplo.

Padrões atômicos

"Esses dois extremos podem ser calculados e compreendidos muito bem, "explica Tobias Donner, que trabalha como Cientista Sênior no laboratório de Esslinger. "Por contraste, é muito mais difícil lidar com sistemas intermediários, onde a evolução coerente e a dissipação são igualmente importantes. "Para construir tal sistema quântico em laboratório, os físicos resfriaram os átomos a temperaturas próximas do zero absoluto de cerca de -273 graus Celsius e os expuseram a um feixe de laser focalizado que captura e conduz os átomos dentro de uma espécie de rede feita de luz. Cada átomo também tem um "giro" que pode apontar para cima ou para baixo (como uma agulha de bússola que aponta para o norte ou sul). Além disso, os átomos frios são circundados dentro de uma cavidade por dois espelhos que refletem a luz espalhada pelos átomos para frente e para trás.

A interação entre os átomos, o feixe de laser e a luz na cavidade agora fazem com que os átomos se organizem espontaneamente em um padrão xadrez. Isso pode acontecer de duas maneiras diferentes. Em um deles, existem átomos apenas nos quadrados "brancos", por assim dizer, enquanto os quadrados pretos permanecem vazios (veja a figura). No outro caso, também existem dois tipos de quadrados, vermelho e verde, mas agora os quadrados vermelhos são ocupados apenas por átomos cujos spins apontam para cima, enquanto nos quadrados verdes existem apenas átomos cujos spins apontam para baixo.

Reviravolta surpreendente

Qual das duas alternativas os átomos preferem depende da direção de oscilação do feixe de laser que os irradia, estritamente de acordo com as regras da mecânica quântica - pelo menos, isso é, se os átomos não forem expostos a qualquer dissipação. Quando os físicos realizaram o experimento em um regime em que a influência da dissipação (causada pela perda de fótons da cavidade) era grande o suficiente, algo incomum aconteceu. "Nossos dados não nos mostravam mais um dos dois padrões, mas sim parecia que os átomos estavam girando nos padrões continuamente, com um sentido particular de rotação, "Esslinger descreve os resultados inesperados." Foi uma descoberta empolgante - mas não tínhamos a menor ideia de por que estava acontecendo. "

Uma força incomum

Ao simplificar as equações da mecânica quântica que descrevem seu experimento, os físicos acabaram descobrindo uma analogia com um sistema mecânico. Na verdade, as fórmulas tinham uma semelhança notável com aquelas que descrevem um eixo girando dentro de um rolamento. Entre o eixo e o rolamento, existe um lubrificante viscoso que deve garantir uma rotação uniforme. Contudo, se o eixo se afastar ligeiramente do centro do rolamento, surge um tipo bastante incomum de força de atrito que depende da posição do eixo. A força ocorre porque em uma direção a distância entre o eixo giratório e o rolamento estacionário é reduzida, e, portanto, diferentes forças de fricção atuam no eixo e no rolamento. A força dependente da posição resultante é perpendicular à direção na qual o eixo se moveu. Como consequência, o centro do eixo começa a espiralar em torno do centro do rolamento.

Agora que os físicos são capazes de descrever o efeito quântico inesperado com uma imagem concreta, eles já estão pensando no próximo passo:explorá-lo para orientar e controlar deliberadamente os sistemas quânticos. "Normalmente, a dissipação altera ou enfraquece os efeitos quânticos existentes - mas aqui temos um efeito que realmente deve sua existência à dissipação, "diz Esslinger. Se efeitos semelhantes poderiam ser mais difundidos em sistemas quânticos, e como eles podem ser usados ​​nas tecnologias quânticas que estão sendo desenvolvidas, são, portanto, questões que agora estão na mente dos pesquisadores.