Em alguns materiais, existem fases entre as quais a transição não é possível porque são protegidas por uma certa forma de simetria. Os físicos se referem a elas como fases topológicas. Um exemplo disso é a fase Haldane, em homenagem ao vencedor do Prêmio Nobel de Física de 2016, Duncan Haldane, que ocorre em cadeias antiferromagnéticas de spin-1. Uma equipe de pesquisadores do MPQ conseguiu agora perceber esse estado exótico da matéria em um sistema simples de átomos ultrafrios. Usando um microscópio de gás quântico, eles trouxeram os spins atômicos para a forma desejada, mediram as propriedades do sistema e, assim, encontraram a ordem interna oculta típica da fase Haldane. Seus resultados são publicados na Nature .
Qualquer matéria ocorre em diferentes fases, que podem se fundir umas nas outras. Um exemplo disso é a água, que existe na forma líquida, como gelo ou vapor – dependendo das condições externas. As diferentes fases físicas têm a mesma composição química, mas um grau diferente de ordem interna. Se a temperatura ou pressão mudar, por exemplo, a água muda para uma fase diferente em um determinado ponto. No entanto, em alguns materiais, existem fases entre as quais uma transição não é possível porque são protegidas por uma certa forma de simetria - uma propriedade do sistema que permanece inalterada, por exemplo, durante uma reflexão ou rotação. Somente quebrando a simetria é possível uma transição de fase. Os físicos se referem a isso como fases topológicas, cuja investigação nos últimos anos levou a uma compreensão mais profunda da estrutura dos sistemas quânticos.

Medindo a fase Haldane

Até o momento, tais propriedades quase só foram acessíveis em modelos teóricos e cálculos ou por meio de medições indiretas em sólidos. Mas agora uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) em Garching conseguiu gerar um tipo especial e exemplar de fase topológica no laboratório e analisá-lo experimentalmente. Os cientistas do Departamento de Sistemas Quânticos de Muitos Corpos do MPQ, liderados pelo Prof Dr. Immanuel Bloch e Dr. Timon Hilker, criaram a chamada fase Haldane. Recebe o nome do físico britânico Duncan Haldane, que descreveu as fases topológicas de sistemas quânticos pela primeira vez e recebeu o Prêmio Nobel de Física por isso em 2016, juntamente com outros dois pesquisadores.

Haldane concentrou sua atenção, entre outras coisas, na possível existência de uma fase topológica em uma cadeia de partículas antiferromagnéticas de spin-1. Um spin é uma propriedade da mecânica quântica de partículas, como elétrons ou átomos, que pode ser interpretada de maneira simples como o momento angular da partícula quando ela gira em torno de seu próprio eixo. Em um material antiferromagnético, os spins preferem que outros spins tenham uma direção de rotação diferente em sua vizinhança imediata.

Isso pode levar a um ordenamento periódico dos spins, que, no entanto, é invisível em sistemas spin-1 em medições clássicas. A previsão teórica dizia que, no entanto, existe uma ordem, mas que ela está "oculta". Para detectá-lo, todos os spins teriam que ser medidos individualmente e simultaneamente – o que não é possível em sólidos. Mas os pesquisadores do MPQ usaram materiais artificiais nos quais os spins são muito mais distantes. Nela, eles produziram uma cadeia spin-1 com as características descritas por Haldane.

O truque com os pares de giros

"Até agora, isso era difícil de perceber", diz Sarah Hirthe. É por isso que o Ph.D. candidata do MPQ, junto com seu colega Dominik Bourgund e outros membros da equipe de Garching, recorreram a um truque:"Criamos uma cadeia de spin-1 de forma indireta, construindo-a a partir de spins com valor ½, dos quais acrescentou dois cada", explica Bourgund. Dessa forma, foram criadas células com spin inteiro que foram alinhadas em uma cadeia.

Para realizar essa estrutura especial, a equipe usou o chamado microscópio de gás quântico. Tal dispositivo pode ser usado, por exemplo, para estudar as propriedades magnéticas de átomos individuais que foram previamente organizados de uma determinada maneira. Os cientistas, portanto, também falam de um simulador quântico, com o qual a matéria é construída artificialmente a partir de seus blocos de construção elementares. “Para fazer isso, usamos ondas estacionárias de luz laser que formam uma espécie de treliça para os átomos”, explica Sarah Hirthe. Essa treliça é então moldada na forma desejada com a ajuda de outros lasers e inúmeros espelhos minúsculos e móveis.

"Para os experimentos na fase topológica Haldane, colocamos átomos em uma rede óptica bidimensional", relata o físico. "No vácuo e a uma temperatura próxima do zero absoluto, os átomos então se organizaram exatamente da maneira ditada pela luz." Os pesquisadores escolheram uma estrutura de treliça que deu aos átomos, juntamente com seus spins, a forma de uma escada – com duas "pernas" e "degraus" no meio. "Os degraus dessas chamadas escadas de Fermi-Hubbard conectaram dois spins atômicos para formar células unitárias com spin 1", explica Dominik Bourgund. "Neste arranjo, estávamos usando um conceito conhecido na física teórica como o modelo AKLT."

Uma escada atômica com giros de borda 'pendurados'

"O destaque do experimento foi que adaptamos especialmente as bordas do sistema", diz Hirthe:as duas pernas da escada quântica foram deslocadas uma da outra por um átomo. Desta forma, os spins semi-inteiros dos átomos podem ser combinados em um deslocamento diagonal para formar células unitárias. A consequência dessa forma:giros individuais sem um parceiro direto "pendurados" em ambas as extremidades do sistema - chamados estados de borda no jargão técnico. "Tais rotações e seus momentos magnéticos podem assumir diferentes orientações sem qualquer entrada de energia adicional", explica Dominik Bourgund. Desta forma, eles dão ao sistema propriedades características baseadas na simetria especial – as características típicas da fase Haldane. Para comparação, os pesquisadores do Max Planck também criaram uma fase topológica "trivial" sem estados de borda.

Para analisar as características das duas fases, os cientistas mediram a magnetização dos spins individuais e de todo o sistema de todos os átomos ao longo de uma corda mental sob o microscópio de gás quântico. Só assim foi possível encontrar a ordem interna "oculta" prevista. "Nossos resultados confirmam as propriedades topológicas esperadas tanto do sistema geral quanto dos estados de borda", observa Timon Hilker, que lidera o projeto. "Isso mostra:Tornamos a estrutura complexa acessível para medições por meio de um sistema simples."

Base sólida para computação quântica?

Com seus resultados, os pesquisadores do Max Planck não apenas lançaram as bases para verificar experimentalmente as previsões teóricas sobre fases topológicas. Suas novas descobertas também podem encontrar aplicação prática no futuro – em computadores quânticos. Sua função é baseada em "qubits", unidades computacionais fundamentais na forma de estados quânticos. A falha na realização técnica até agora é sua baixa estabilidade:se os qubits perderem seu valor, os dados também serão perdidos. Se eles pudessem ser representados por fases topológicas, que são bastante robustas contra interferências externas devido à sua estreita conexão com uma simetria fundamental, isso poderia simplificar significativamente a computação com um computador quântico. + Explorar mais

Ímãs quânticos em movimento