A eletrodinâmica quântica (QED) é a teoria quântica fundamental que governa o comportamento das partículas carregadas e da luz no vácuo. A força das interações em QED é quantificada pela constante de estrutura fina α, que em nosso universo é imutável e eterno (α ~ 1/137). A pequenez da constante de estrutura fina tem consequências de longo alcance no mundo físico - ela determina o número de elementos químicos estáveis, permite longa distância, comunicação baseada em luz, etc.

Uma das grandes descobertas recentes da física da matéria condensada é que as teorias do tipo QED descrevem o comportamento do gelo quântico de spin, uma classe de ímãs fracionados. Em vez de ser ordenado em um padrão simples, os spins atômicos nesses sistemas flutuam em padrões intrincados até as temperaturas mensuráveis ​​mais baixas. A fase resultante é caracterizada pela presença de cargas magnéticas que interagem com ondas semelhantes à luz no fundo do spin.

Pesquisadores da Boston University, O Massachusetts Institute of Technology (MIT) e o Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme realizaram recentemente um estudo investigando a constante de estrutura fina que surge no QED do spin do gelo quântico. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , mostra que no gelo de spin quântico, esta constante fundamental é grande, o que significa que esses sistemas magnéticos podem ser ideais para estudar fenômenos físicos decorrentes de fortes interações de partículas.

"Estávamos pensando em possíveis assinaturas do QED emergente no spin do gelo quântico e descobrimos que as assinaturas mais distintas envolviam efeitos de interações entre as cargas emergentes e os fótons, "Christopher R. Laumann e Siddhardh C. Morampudi, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse ao Phys.org por e-mail. "Percebemos então que o número adimensional básico (a constante de estrutura fina emergente) que caracteriza a força dessa interação ainda não foi determinado em nenhum trabalho anterior, e trabalhos anteriores se concentraram apenas em caracterizar a velocidade emergente da luz. "

Laumann, Morampudi e seus colegas começaram a investigar a constante de estrutura fina do gelo de spin quântico, pois eles acreditavam que isso ofereceria uma caracterização mais completa de seu QED. A observação de um valor de α relativamente grande foi uma surpresa agradável para eles, como tal, valor aumentaria as assinaturas mediadas por interação do QED emergente.

"Usando a diagonalização exata em grande escala para obter o custo de energia de um tubo de fluxo elétrico, fomos capazes de extrair a carga elétrica, "Laumann e Morampudi disseram." Isso nos permitiu ir do modelo de rede ao QED emergente de comprimento de onda longo em sistemas de tamanho finito acessíveis computacionalmente. "

As simulações numéricas realizadas por Laumann, Morampudi e seus colegas são os primeiros a calcular a constante de estrutura fina em um QED emergente, especificamente um realizado em gelo de spin quântico. A equipe mostrou que no sistema simulado, a constante α é tipicamente uma ordem de magnitude maior do que a constante de estrutura fina do QED usual. Além disso, eles demonstraram que no spin do gelo quântico a constante pode ser ajustada desde zero até o acoplamento mais forte que o QED confina.

"A constante de estrutura fina do QED usual é pequena e fixa conforme fornecida pela natureza, "Laumann e Morampudi disseram." Ter um QED emergente com uma constante de estrutura fina grande e também ajustável fornece um bom playground para a compreensão de processos em QED que são fortemente suprimidos devido ao pequeno acoplamento. "

Uma das principais ferramentas teóricas para estudar as teorias quânticas de campo é a teoria de perturbação. Nas ultimas decadas, Contudo, muitos pesquisadores começaram a explorar o que acontece com as teorias de campo no acoplamento forte, em casos em que a teoria de perturbação não é uma construção particularmente útil.

"Isso levou a uma grande variedade de ferramentas não perturbativas cuja eficácia pode ser testada se tivermos um playground experimental para QED de forte acoplamento em gelo de spin quântico, "Laumann e Morampudi disseram." Nosso trabalho também identifica o gelo de spin quântico como um grande alvo para simuladores quânticos de rápida evolução, com a promessa de descobrir física interessante de QED de forte acoplamento como recompensa. "

Nos últimos anos, um número crescente de físicos começou a conduzir estudos investigando candidatos de spin ice quântico, particularmente pirocloro de terras raras. Alguns dos candidatos identificados nesses estudos podem exibir interações adicionais que fazem com que os sistemas se tornem ordenados, em vez de permanecer em uma fase líquida de spin quântico. A grande constante de estrutura fina calculada por Laumann, Morampudi e seus colegas implicam na presença de efeitos mediados por interação significativos, como um grande aumento da seção transversal de espalhamento de nêutrons inelástica perto do limite.

"Tem havido dicas tentadoras da física certa em alguns dos materiais, mas a desordem e as pequenas escalas de energia (limitando a resolução experimental no espalhamento de nêutrons, por exemplo) têm sido fatores limitantes até agora, "Laumann e Morampudi disseram." Em nossos próximos estudos, pretendemos explorar mais implicações da grande estrutura fina constante em realizações potenciais de gelo de spin quântico, e empurrar para simulações deles em computadores quânticos de curto prazo. Nossa esperança é entender melhor como as questões abertas no QED de acoplamento forte podem ser potencialmente respondidas em tais ambientes. "

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