As tecnologias quânticas trazem a promessa de uma computação mais rápida, desenvolvimento aprimorado de medicamentos e novas aplicações de detecção. No entanto, os comportamentos quânticos são difíceis de estudar experimentalmente, uma vez que a maioria dos sistemas só pode sustentar efeitos quânticos por um curto período de tempo.



"A razão pela qual as características misteriosas da física quântica tendem a desaparecer tão rapidamente é um processo chamado decoerência", disse Kaden Hazzard, professor associado de física e astronomia na Universidade Rice e autor correspondente de um estudo publicado na revista Nature Physics. eu> .

"Isso ocorre quando um sistema quântico interage com seu entorno e isso muda a física. Quanto maior o sistema e maiores os acoplamentos com o entorno, mais o sistema se comportará de maneira clássica e não quântica - e você perde sua capacidade para investigar coisas no nível quântico."

Cientistas e colaboradores do arroz conseguiram prolongar o comportamento quântico em um sistema experimental em quase 30 vezes, usando temperaturas ultrafrias e comprimentos de onda de laser para gerar uma “armadilha mágica” que ajudou a retardar o início da decoerência. O estudo é a primeira demonstração experimental desse tipo e fornece uma nova arena para estudar interações quânticas.

O grupo de Simon Cornish no Departamento de Física da Universidade de Durham, no Reino Unido, colaborou com Hazzard e seu grupo em Rice para resfriar moléculas até um bilhão de vezes abaixo da temperatura ambiente para criar um sistema mecânico quântico único. Eles então configuraram essas moléculas para girar mecanicamente quântica – uma situação análoga às moléculas que se alinham e giram no sentido horário e anti-horário ao mesmo tempo – usando radiação de micro-ondas.

“Quando você resfria átomos ou moléculas a essas temperaturas extremamente baixas, você pode controlá-los com luz”, disse Cornish. "Você pode realmente usar lasers para empurrar os átomos e fazê-los ir para onde você deseja. Você também pode usar lasers para prendê-los ou segurá-los, e isso lhe dá um nível de precisão e controle que você não teria normalmente ."

Geralmente, a coerência deste comportamento rotativo nas moléculas ultrafrias decai ao longo de um período de tempo muito curto. Até agora, o estado quântico mais longo registrado de moléculas em rotação era medido em 1/20 de segundo. O grupo de Cornish, no entanto, foi inspirado pelo trabalho teórico de Svetlana Kotochigova, da Temple University, que sugeria que um certo comprimento de onda “mágico” de luz poderia preservar a coerência quântica por um longo período de tempo.

"O comportamento quântico torna-se mais proeminente quanto mais frio o sistema é e leva o comportamento quântico a escalas de comprimento maiores", disse Jonathan Stepp, estudante de pós-graduação do grupo de Hazzard. "E ter lasers no comprimento de onda certo pode 'prender' as moléculas, para que possam girar em sincronia, o que preserva a coerência quântica por mais tempo."

Quando o grupo aplicou esta teoria no laboratório como uma nova técnica experimental, eles criaram uma “armadilha mágica” que manteve as moléculas girando mecanicamente quântica por um tempo significativamente mais longo. Embora Hazzard pensasse que esta armadilha laser “mágica” poderia aumentar a coerência quântica em duas ou três vezes, ele ficou chocado ao ver que ela mantinha as moléculas girando uniformemente por quase 1,5 segundos – um aumento de 30 vezes.

“Embora não esteja surpreso que tenha funcionado, estou definitivamente surpreso com o quão bem funcionou”, disse Hazzard.

Zewen Zhang, outro estudante de pós-graduação do grupo de Hazzard, disse que melhores tempos de coerência permitirão aos cientistas estudar questões fundamentais sobre a interação da matéria quântica.

“À medida que os tempos de coerência se tornam mais longos, novos efeitos são revelados”, disse Zhang. "Podemos começar a explorar comparando as medições experimentais com nossos cálculos. A coerência aprimorada também é um passo para usar moléculas ultrafrias como plataforma para várias tecnologias quânticas."

"Mesmo que o comportamento quântico pareça algo muito exótico, ele é na verdade responsável por coisas que vemos todos os dias, desde como os metais conduzem eletricidade até como a fusão é produzida pelo sol", acrescentou Hazzard, que é membro da Rice Quantum Initiative e o Instituto Smalley-Curl. “Se você quiser fazer novos materiais, novos sensores ou outras tecnologias quânticas, você precisa entender o que está acontecendo no nível quântico, e esta pesquisa é um passo para alcançar novos insights”.

Mais informações: Philip D. Gregory et al, Coerência rotacional de segunda escala e interações dipolares em um gás de moléculas polares ultrafrias, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02328-5
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido pela Rice University