No reino da mecânica quântica, a geração de emaranhamento quântico continua sendo um dos objetivos mais desafiadores. Emaranhamento, simplesmente colocado, é quando o estado quântico de cada partícula ou grupo de partículas não é independente dos estados quânticos de outras partículas ou grupos, mesmo em longas distâncias. Partículas emaranhadas sempre fascinaram os físicos, como medir uma partícula emaranhada pode resultar em uma mudança em outra partícula emaranhada, notoriamente rejeitado como "ação fantasmagórica à distância" por Einstein. Por enquanto, os físicos entendem esse estranho efeito e como usá-lo, por exemplo, para aumentar a sensibilidade das medições. Contudo, estados emaranhados são muito frágeis, pois podem ser facilmente interrompidos pela decoerência. Os pesquisadores já criaram estados emaranhados em átomos, fótons, elétrons e íons, mas apenas recentemente os estudos começaram a explorar o emaranhamento em gases de moléculas polares.

"As moléculas são muito atraentes para a simulação quântica, informação quântica, e medições de precisão, "explicou a Dra. Ana Maria Rey, Professor Adjunto de Física da Universidade do Colorado em Boulder e Fellow da JILA. A razão é que as moléculas têm um grande número de graus de liberdade internos que podem ser um recurso útil para o sensor quântico e testes de física fundamental. Outro benefício do uso de moléculas em experimentos quânticos é que as moléculas também têm interações dipolares de longo alcance:em contraste com os átomos que precisam colidir uns com os outros para interagir, as moléculas podem interagir à distância. "As moléculas oferecem grandes vantagens em comparação com os átomos, mas ao mesmo tempo, eles são realmente difíceis de esfriar. Na verdade, resfriar moléculas até a degenerescência quântica (condição alcançada quando elas estão frias o suficiente para fazer os efeitos quânticos dominarem) tem sido um dos objetivos pendentes mais procurados por muitos anos. O progresso tem sido muito lento, mas está acontecendo agora. "

Em 2019 JILA Fellow e professor adjunto da Universidade do Colorado, Pedregulho, Jun Ye, finalmente alcançou este marco importante. O laboratório de Ye conseguiu resfriar moléculas que consistem em um átomo de rubídio e um átomo de potássio até a degenerescência quântica e observar sua natureza quântica. Mais recentemente, ele tem compactado esse gás molecular em uma pilha de matrizes em forma de panqueca. O trabalho dos grupos de Rey's e Ye's investiga a empolgante nova física que surge devido às interações dipolares em tais matrizes em forma de panqueca.

A importância da geometria da panqueca

As reações químicas são um dos inimigos mais prejudiciais às moléculas de resfriamento. Alguns anos atrás, o laboratório Ye foi capaz de evitar reações químicas enquanto permitia que as moléculas interagissem umas com as outras por meio de interações dipolares, carregando as moléculas em uma rede 3D. Uma estrutura 3D pode ser imaginada como um cristal de luz perfeito. Em uma rede 3D, as moléculas são fixadas em locais de rede individuais sem se moverem. As moléculas então interagem por meio de interações dipolares da mesma maneira que os ímãs interagem:quando são colocados lado a lado, eles se repelem e quando são colocados cabeça com cauda eles se atraem. Em uma rede 3D, as moléculas experimentam interações atrativas e repulsivas e, como consequência, em média, as interações entre as moléculas se cancelam. Além disso, no experimento de rede 3D, a fração de preenchimento molecular era muito baixa, o que significa que as moléculas estavam, em sua maioria, muito distantes umas das outras e interagiam muito fracamente.

Em um experimento recente, Contudo, o grupo Ye foi capaz de aumentar a densidade comprimindo um gás quântico degenerado 3D em algumas panquecas, cada um com uma forma 2D plana. Dentro de uma panqueca, o grupo Ye descobriu que é possível suprimir reações químicas indesejáveis ​​e, além disso, tornar as interações dipolo mais fortes. Isso ocorre porque em uma configuração 2D todas as moléculas se repelem e as interações não são calculadas. A observação emocionante feita pelos investigadores é que as fortes interações dipolares na panqueca também podem tornar o gás robusto a efeitos de defasagem indesejáveis ​​e reações químicas. Bilitewski afirmou:Ao estudar esta forma, "conceitualmente, e este é o cerne deste trabalho, as interações entre as moléculas dependem dos estados quânticos em que se encontram, e, portanto, neste confinamento. Então, você primeiro tem que descobrir as interações nesta nova geometria. Acontece que esses na verdade têm propriedades muito benéficas para gerar a dinâmica coletiva que buscamos. "Mas a notícia ainda melhor é que as interações não apenas protegem o estado, forçando os dipolos moleculares a estarem todos alinhados, mas também cria naturalmente emaranhamento. Nas palavras de Bilitewski:"o benefício dessa sincronização coletiva é que o emaranhado que geramos se torna robusto a certos efeitos que normalmente destruiriam". Essas matrizes emaranhadas de moléculas podem ter aplicações para medições futuras de várias quantidades, como campos elétricos, com sensibilidade aumentada pelo emaranhado.

O trabalho feito pelo grupo Rey ilustra a importância dos efeitos geométricos em gases dipolares e os fenômenos de muitos corpos emocionantes ainda a serem explorados uma vez que as moléculas são levadas à degeneração quântica. Ao teorizar sobre a importância desta forma 2D, Rey disse:"graças ao incrível trabalho feito por Thomas Bilitewski, fomos capazes de modelar sua dinâmica quântica e mostrar que deve ser possível enredá-los, ele calculou todas as integrais necessárias para escrever um modelo eficaz, resolveu as equações de movimento e mostrou que tudo pode funcionar para gerar emaranhamento por meio de processos flip-flop induzidos por interações dipolares. "

A produção de gases moleculares ultracold em geometrias controláveis ​​sugere novas descobertas e previsões no campo da mecânica quântica. "Esta observação foi uma demonstração de que as moléculas podem explorar o magnetismo quântico, "Rey acrescentou, "Em outras palavras, as moléculas podem se comportar como ímãs quânticos e emular o comportamento dos elétrons em sólidos, por exemplo. Em nosso trabalho recente, demos um passo em frente nessa direção. "A proposta apresentada pelos grupos Rey e Ye é apenas o começo de toda a grande ciência ainda a ser estudada com matrizes de emaranhamento de moléculas. De acordo com Bilitewski:" tudo isso é realmente empolgante no sentido de que estamos explorando um novo regime que só agora se tornou disponível no laboratório. "