O comportamento universal é uma propriedade central das transições de fase, que pode ser vista, por exemplo, em ímãs que não são mais magnéticos acima de uma determinada temperatura. Uma equipa de investigadores de Kaiserslautern, Berlim e Hainan, China, conseguiu pela primeira vez observar esse comportamento universal no desenvolvimento temporal de um sistema quântico aberto, um único átomo de césio num banho de átomos de rubídio.



Essa descoberta ajuda a entender como os sistemas quânticos alcançam o equilíbrio. Isto é de interesse para o desenvolvimento de tecnologias quânticas, por exemplo. O estudo foi publicado na Nature Communications .

As transições de fase em química e física são mudanças no estado de uma substância, por exemplo, a mudança de uma fase líquida para uma fase gasosa, quando um parâmetro externo como temperatura ou pressão é alterado.

“Os ímãs são um bom exemplo”, diz o professor Dr. Artur Widera, que dirige a unidade de Sistemas Quânticos Individuais da Universidade Kaiserslautern-Landau (RPTU).

"Os ferromagnetos apresentam magnetização espontânea sem campo magnético externo, ou seja, são inerentemente magnéticos, mas apenas abaixo de uma certa temperatura crítica. Quando a temperatura sobe acima deste ponto, o sistema passa por uma transição de fase contínua; acima desta temperatura, o material não é mais magnético."

Em um experimento, um comportamento universal em uma transição de fase pode ser induzido especificamente pela alteração de um parâmetro como pressão, magnetismo ou temperatura. O especial é que esse comportamento de uma quantidade física “pode ser descrito por alguns parâmetros críticos”, continua Widera, “que por sua vez são independentes dos detalhes do sistema em consideração”.

Esse comportamento universal também pode ser observado no mundo quântico, ou seja, nos níveis atômico e subatômico?

No estudo atual, a equipe de pesquisa de Widera colocou átomos individuais de césio em um estado quântico específico e os mergulhou em um gás de átomos de rubídio. Esta combinação de um único sistema quântico (césio) interagindo com o banho de rubídio também é chamada nos círculos especializados de sistema quântico aberto. Tanto os átomos de césio quanto os átomos de rubídio foram resfriados até quase o zero absoluto.

“Ao contrário das observações habituais, na nossa experiência, o tempo era o parâmetro que deveria atingir um ponto crítico, ou tempo crítico”, diz o Dr. Jens Nettersheim, investigador associado da Widera e co-autor do estudo. Para conseguir isso, os pesquisadores tiveram que excitar o sistema quântico com uma grande quantidade de energia.

“O que observamos agora é que a entropia aumenta primeiro à medida que o sistema se desenvolve ao longo do tempo”, acrescenta Ling-Na Wu, físico teórico que acompanhou o projeto e é o primeiro autor do estudo.

Os pesquisadores entendem o termo entropia como uma medida da desordem em um determinado sistema e, portanto, também a possibilidade de partículas se organizarem em um sistema – como neste caso os átomos de césio e rubídio. Quanto maior for a desordem num sistema, maior será a entropia e vice-versa. Wu diz:“Isso acontece até que a entropia atinja seu valor máximo, que então diminui novamente”.

É precisamente neste ponto, o momento crítico, que se instala o comportamento universal do sistema quântico. André Eckardt, professor de Física Teórica na Technische Universität (TU) Berlim, que liderou o trabalho teórico deste projeto, explica:" Neste momento acontece o seguinte:Falando figurativamente, o sistema perde a memória do que aconteceu antes, ou do estado inicial exato. As dinâmicas subsequentes são universais. Na física, isso significa que o comportamento pode ser descrito com uma fórmula e um parâmetro.

O estudo mostra que em sistemas quânticos abertos existe um comportamento universal em relação ao tempo. Com este trabalho, os físicos estão contribuindo para uma melhor compreensão do funcionamento fundamental de tais sistemas. “Ainda não está totalmente claro como esses sistemas quânticos abertos liberam energia, ou seja, relaxam, e como exatamente o equilíbrio termodinâmico é alcançado”, explica Widera.

Muitas aplicações técnicas hoje só funcionam graças à tecnologia quântica integrada nelas. No futuro, desempenhará um papel cada vez mais importante, por exemplo em computadores quânticos ou sensores quânticos. Portanto, é importante compreender o que acontece em tais sistemas e como eles interagem com o seu ambiente.

A equipe de Widera realizou os experimentos na RPTU em Kaiserslautern; o trabalho teórico para este estudo foi fornecido pelo grupo de trabalho liderado pelo professor Dr. André Eckardt do Instituto de Física Teórica da TU Berlin, com Ling-Na Wu da Universidade de Hainan, na China, também envolvido.

Mais informações: Ling-Na Wu et al, Indicação de escala crítica no tempo durante o relaxamento de um sistema quântico aberto, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46054-9
Fornecido por Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau