Os físicos deram um primeiro passo na compreensão da emergência quântica – a transição de partículas ‘um para muitos’ – estudando não uma, nem muitas, mas duas partículas isoladas em interação. O resultado é um primeiro e pequeno passo para entender os sistemas quânticos naturais e como eles podem levar a simulações quânticas mais poderosas e eficazes. A equipe mediu a força de um tipo de interação – conhecida como ‘interação de onda p’ – entre dois átomos de potássio. As interações da onda P são fracas em sistemas que ocorrem naturalmente, mas os pesquisadores previram há muito tempo que elas têm um limite teórico máximo muito maior. A equipe é a primeira a confirmar que a força da onda p entre as partículas atingiu esse máximo.
“Suponha que você saiba tudo o que há para saber sobre uma molécula de água – a fórmula química, o ângulo de ligação etc.”, diz Joseph Thywissen, professor do Departamento de Física e membro do Centro de Informação Quântica e Controle Quântico na Universidade de Toronto.
“Você pode saber tudo sobre a molécula, mas ainda não sabe que existem ondas no oceano, muito menos como surfá-las”, diz ele. “Isso porque quando você coloca um monte de moléculas juntas, elas se comportam de uma maneira que você provavelmente não pode prever.”
Thywissen está descrevendo o conceito na física conhecido como emergência: a relação entre o comportamento e as características de partículas individuais e um grande número dessas partículas. Ele e seus colaboradores deram um primeiro passo na compreensão dessa transição de partículas “um para muitos” estudando não uma, nem muitas, mas duas partículas isoladas em interação, neste caso, átomos de potássio.
O resultado, descrito em um artigo publicado hoje na revista Naturezaé um primeiro e pequeno passo para entender os sistemas quânticos naturais e como eles podem levar a simulações quânticas mais poderosas e eficazes.
A equipe colaborativa de físicos experimentais da Universidade de Toronto e físicos teóricos da Universidade do Colorado mediu a força de um tipo de interação – conhecida como “interações de onda p” – entre dois átomos de potássio e descobriu que o resultado confirma uma previsão de longa data.
As interações da onda P são fracas em sistemas que ocorrem naturalmente, mas os pesquisadores previram que elas têm um limite teórico máximo muito maior. A equipe é a primeira a confirmar que a força da onda p entre as partículas atingiu esse máximo.
“Em nosso laboratório, conseguimos isolar dois átomos de cada vez”, diz Vijin Venu, um PhD em física da Universidade de Toronto. “Esta abordagem evita a complexidade dos sistemas de muitos átomos e permite o controle total e o estudo das interações entre os átomos de um par.”
A equipe isolou pares de átomos dentro de uma rede óptica 3D – um “cristal de luz”, como a pesquisadora de pós-doutorado em física da Universidade de Toronto, Cora Fujiwara, descreve – criada na interseção de três feixes de laser a 90 graus um do outro. Os feixes que se cruzam geraram nós estacionários de alta intensidade que aprisionaram pares de partículas. Com pares isolados dessa maneira, os pesquisadores puderam medir a força de sua interação mútua.
“O que vimos em nosso experimento foi notável”, diz Fujiwara. “É um pequeno sistema perfeito. E agora que temos essa compreensão desse sistema de duas partículas, podemos começar a criar esses tipos de sistemas exóticos que envolvem muito, muito mais partículas.”
O resultado tem ramificações em muitas tecnologias diferentes, incluindo o estudo de superfluidos, supercondutividade e simulações quânticas.
Simulações quânticas são modelos projetados para entender sistemas quânticos como átomos, moléculas ou reações químicas – sistemas regidos pela mecânica quântica. Essas simulações podem ajudar a entender como as propriedades dos materiais emergem das interações partícula-partícula.
“Na verdade, prevê-se que as interações entre férmions spin-polarizados que observamos dêem origem a novas formas de superfluidos robustos não convencionais, que se acredita serem um recurso potencial para cálculos quânticos”, explica Ana Maria Rey, professora adjunta do física na University of Colorado Boulder e membro da JILA e do National Institute of Standards and Technology.
O desafio de resolver modelos quânticos com computadores existentes é assustador; a tarefa foi descrita como ensinar mecânica quântica a um computador. Uma alternativa promissora é usar sistemas quânticos existentes – em outras palavras, átomos e moléculas reais.
“O que é difícil para nós é fácil para a natureza”, diz Thywissen. “E assim, podemos aproveitar o poder computacional da natureza apenas ‘fazendo seu trabalho’ para resolver problemas que, de outra forma, seriam intratáveis para nós.”
Com informações de Science Daily.
