O comportamento de ímãs quânticos microscópicos tem sido um assunto ensinado em palestras em física teórica. No entanto, investigar a dinâmica de sistemas que estão muito fora de equilíbrio e observá-los "ao vivo" tem sido difícil até agora. Agora, pesquisadores do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching conseguiram exatamente isso, usando um microscópio de gás quântico. Com esta ferramenta, os sistemas quânticos podem ser manipulados e então fotografados com uma resolução tão alta que até átomos individuais são visíveis. Os resultados dos experimentos em cadeias lineares de spins mostram que a forma como sua orientação se propaga corresponde à chamada superdifusão Kardar-Parisi-Zhang. Isso confirma uma conjectura que surgiu recentemente de considerações teóricas.
Uma equipe de físicos em torno do Dr. Johannes Zeiher e do Prof Immanuel Bloch tem os olhos em objetos que outros dificilmente conseguem ver. Os pesquisadores do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) em Garching usam o chamado microscópio de gás quântico para rastrear processos na pequena escala da física quântica. Tal instrumento permite – com a ajuda de átomos e lasers – criar especificamente sistemas quânticos com propriedades desejadas e investigá-los com alta resolução. Nesses experimentos, os pesquisadores também se concentram nos fenômenos de transporte – como os objetos quânticos se movem sob certas condições externas.

A equipe agora fez uma descoberta experimental surpreendente. Os pesquisadores foram capazes de mostrar que o transporte unidimensional de spins - o termo "spin" significa uma propriedade quântica magnética específica de átomos e outras partículas - se assemelha a fenômenos macroscópicos em certas áreas. Na maior parte, os processos no reino quântico e no mundo cotidiano diferem significativamente. “Mas nosso trabalho revela uma conexão interessante entre os sistemas de spin da mecânica quântica em átomos frios e sistemas clássicos, como o crescimento de colônias bacterianas ou a propagação de incêndios florestais”, diz Johannes Zeiher, líder do grupo na divisão Quantum Many-Body Systems do MPQ. “Esta descoberta é completamente inesperada e aponta para uma conexão profunda no campo da física de não equilíbrio que ainda é pouco compreendida”.

Os físicos referem-se a essa analogia teórica entre o movimento aleatório em sistemas quânticos e clássicos como "universalidade". Neste caso específico, é a universalidade Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) – um fenômeno anteriormente conhecido apenas pela física clássica.

O expoente revelador

Para observar o fenômeno microscopicamente, a equipe de Garching primeiro resfriou uma nuvem de átomos a temperaturas próximas ao zero absoluto. Dessa forma, os movimentos devido ao calor poderiam ser descartados. Em seguida, eles bloquearam os átomos ultrafrios em um potencial "em forma de caixa" especialmente formado, formado por um arranjo de pequenos espelhos. "Usamos isso para estudar o relaxamento de uma única parede de domínio magnético em uma cadeia de 50 spins dispostos linearmente", explica David Wei, pesquisador do grupo de Johannes Zeiher. A parede de domínio separa áreas com orientação idêntica de spins vizinhos umas das outras. Os pesquisadores primeiro criaram a parede de domínio para o experimento usando um novo truque, pelo qual um "campo magnético efetivo" foi gerado pela projeção de luz. Ao fazer isso, os pesquisadores podem suprimir fortemente os acoplamentos entre os giros, efetivamente "bloqueando-os" no lugar.

O relaxamento dentro da cadeia de spins ocorreu após os acoplamentos entre os spins terem sido acionados de forma controlada e, como se viu, seguiram um padrão característico. "Isso pode ser descrito matematicamente por uma lei de potência com o expoente 3/2", diz Wei - uma dica para a conexão com a universalidade KPZ. Mais evidências para essa relação foram fornecidas quando os pesquisadores detectaram o movimento de rotações individuais, que foi revelado através do microscópio de gás quântico.

"Essa alta precisão foi a base para uma avaliação estatística detalhada", diz Zeiher. "O curso impressionante de difusão de spin que nosso experimento mostrou corresponde em sua forma matemática aproximadamente à propagação de uma mancha de café em uma toalha de mesa, por exemplo", explica o físico Max Planck. Que uma conexão tão surpreendente pudesse existir havia sido suspeitada por uma equipe de teóricos cerca de dois anos atrás, com base em considerações teóricas. No entanto, a confirmação experimental desta hipótese ainda estava faltando.

Um modelo antigo surpreende os físicos

Para a descrição dos fenômenos de spin da mecânica quântica, os físicos vêm usando o chamado modelo de Heisenberg com muito sucesso há muito tempo (mas foi apenas recentemente que os fenômenos de transporte de spin puderam ser descritos teoricamente dentro desse modelo). "Nossos resultados mostram que novos insights surpreendentes ainda são possíveis mesmo dentro de uma estrutura teórica estabelecida", enfatiza Johannes Zeiher. "E eles são a prova de como a teoria e o experimento se fertilizam na física."

Os resultados que agora foram alcançados pela equipe em Garching não são apenas de valor acadêmico. Eles também podem ser úteis para aplicações técnicas tangíveis. Por exemplo, os spins também constituem a base de certas formas de computadores quânticos. O conhecimento das propriedades de transporte dos portadores de informação pode ser de importância crítica para a realização prática dessas novas arquiteturas de computador.

O estudo aparece em Science . + Explorar mais

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