Conforme a história continua, o matemático e funileiro grego Arquimedes descobriu uma invenção enquanto viajava pelo antigo Egito que mais tarde levaria seu nome. Era uma máquina que consistia em um parafuso alojado dentro de um tubo oco que retinha e puxava água durante a rotação. Agora, pesquisadores liderados pelo físico da Universidade de Stanford Benjamin Lev desenvolveram uma versão quântica do parafuso de Arquimedes que, em vez de água, transporta coleções frágeis de átomos de gás para estados de energia cada vez mais altos sem entrar em colapso. Sua descoberta é detalhada em um artigo publicado em 14 de janeiro em Ciência .

"Minha expectativa para o nosso sistema era que a estabilidade do gás mudaria apenas um pouco, "disse Lev, que é professor associado de física aplicada e de física na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. "Eu não esperava ver uma cena dramática, estabilização completa dele. Isso estava além da minha concepção mais selvagem. "

Pelo caminho, os pesquisadores também observaram o desenvolvimento de estados de cicatriz - trajetórias extremamente raras de partículas em um sistema quântico caótico no qual as partículas repetidamente refazem seus passos como rastros se sobrepondo na floresta. Os estados de cicatriz são de particular interesse porque podem oferecer um refúgio protegido para informações codificadas em um sistema quântico. A existência de cicatrizes em um sistema quântico com muitas partículas em interação - conhecido como sistema quântico de muitos corpos - foi confirmada apenas recentemente. O experimento de Stanford é o primeiro exemplo do estado de cicatriz em um gás quântico de muitos corpos e apenas o segundo avistamento do fenômeno no mundo real.

Super e estável

Lev é especialista em experimentos que estendem nossa compreensão de como diferentes partes de um sistema quântico de muitos corpos se acomodam na mesma temperatura ou equilíbrio térmico. Esta é uma área de investigação empolgante porque resistir a essa chamada "termalização" é a chave para a criação de sistemas quânticos estáveis ​​que poderiam alimentar novas tecnologias, como computadores quânticos.

Neste experimento, a equipe explorou o que aconteceria se eles ajustassem um sistema experimental de muitos corpos incomum, chamado super gás Tonks-Girardeau. Esses são gases quânticos unidimensionais altamente excitados - átomos em um estado gasoso que estão confinados a uma única linha de movimento - que foram sintonizados de tal forma que seus átomos desenvolvem forças de atração extremamente fortes uns para os outros. O que é legal sobre eles é que, mesmo sob forças extremas, eles teoricamente não deveriam colapsar em uma massa semelhante a uma bola (como ocorre com os gases atrativos normais). Contudo, na prática, eles entram em colapso por causa de imperfeições experimentais. Lev, que tem uma queda pelo elemento fortemente magnético disprósio, se perguntou o que aconteceria se ele e seus alunos criassem um super gás Tonks-Girardeau com átomos de disprósio e alterassem suas orientações magnéticas 'exatamente assim'. Talvez eles resistissem ao colapso um pouco melhor do que os gases não magnéticos?

“As interações magnéticas que pudemos adicionar eram muito fracas em comparação com as interações atrativas já presentes no gás. nossas expectativas eram de que pouca coisa mudaria. Nós pensamos que ainda entraria em colapso, apenas não tão prontamente. "disse Lev, que também é membro do Stanford Ginzton Lab e Q-FARM. "Uau, estávamos errados. "

Sua variação de disprósio acabou produzindo um super gás Tonks-Girardeau que permaneceu estável de qualquer maneira. Os pesquisadores mudaram o gás atômico entre as condições atrativas e repulsivas, elevar ou "aparafusar" o sistema para estados de energia cada vez mais elevados, mas os átomos ainda não entraram em colapso.

Construindo desde a fundação

Embora não haja aplicações práticas imediatas de sua descoberta, o laboratório de Lev e seus colegas estão desenvolvendo a ciência necessária para impulsionar a revolução da tecnologia quântica que muitos prevêem que está chegando. Por enquanto, disse Lev, a física dos sistemas quânticos de muitos corpos fora de equilíbrio permanece consistentemente surpreendente.

"Ainda não há nenhum livro na prateleira que você possa usar para dizer como construir sua própria fábrica quântica, "disse ele." Se você comparar a ciência quântica com o que estávamos quando descobrimos o que precisávamos saber para construir fábricas químicas, dizer, é como se estivéssemos fazendo o trabalho do final do século 19 agora. "

Esses pesquisadores estão apenas começando a examinar as muitas perguntas que têm sobre o parafuso quântico de Arquimedes, incluindo como descrever matematicamente esses estados de cicatriz e se o sistema se termaliza - o que ele deve eventualmente - como proceder para fazer isso. Mais imediatamente, eles planejam medir o momento dos átomos nos estados de cicatriz para começar a desenvolver uma teoria sólida sobre por que seu sistema se comporta dessa maneira.

Os resultados desse experimento foram tão inesperados que Lev diz que não pode prever com certeza quais novos conhecimentos virão de uma inspeção mais profunda do parafuso quântico de Arquimedes. Mas isso, ele aponta, é talvez experimentalismo no seu melhor.

"Esta é uma das poucas vezes na minha vida em que realmente trabalhei em um experimento que era verdadeiramente experimental e não uma demonstração de teoria existente. Não sabia qual seria a resposta de antemão, "disse Lev." Então nós encontramos algo que era realmente novo e inesperado e que me faz dizer, 'Yay experimentalistas!' "