Simuladores quânticos - Summit Art Creations/ shutterstock.com Crédito: Mixvale.com.br
Pesquisadores da física utilizaram avançadas ferramentas quânticas para confirmar experimentalmente as previsões de uma teoria fundamental que existe há décadas. O trabalho se concentra em descrições teóricas que explicam o comportamento de materiais durante suas transformações de fase, um avanço significativo para a compreensão da matéria.
Em certas condições, quando a matéria muda de um estado para outro — como a água fervendo ou um ímã perdendo sua força magnética —, substâncias diversas podem surpreendentemente manifestar padrões matemáticos idênticos. Esses exemplos ilustram as chamadas transições de fase, momentos críticos onde propriedades macroscópicas se alteram.
“As minúcias em escala microscópica se dissipam, deixando apenas alguns atributos essenciais”, explica Jason Alicea, professor de Física Teórica na cátedra William K. Davis. Ele destaca que esse comportamento global, crucial para simplificar a análise de sistemas complexos na física, é amplamente articulado por uma estrutura matemática conhecida como teoria de campos conformes.
Um estudo recente, publicado na conceituada revista Nature, contou com a colaboração da equipe experimental liderada pelo professor de física do Caltech, Manuel Endres, e o grupo teórico de Alicea, em parceria com cientistas da Universidade Paris-Saclay e da Universidade Técnica de Munique. Eles exploraram de forma prática duas variações distintas da teoria de campos conformes, empregando simuladores quânticos — plataformas desenvolvidas para operações específicas e ligadas à evolução dos computadores quânticos.
Graças à tecnologia desenvolvida para esses simuladores, os cientistas conseguiram medir, pela primeira vez e de maneira direta, os níveis energéticos em um material quântico criado artificialmente. Esses patamares estavam em plena conformidade com as projeções das teorias de campo conforme de Ising e Ising tricrítica. O termo “Ising” é uma homenagem a Ernst Ising, físico que, na década de 1920, detalhou um dos primeiros modelos para o magnetismo. As duas abordagens teóricas descrevem um fenômeno universal que emerge quando um sistema quântico, caracterizado por emaranhamento e superposição, atinge um ponto crítico entre dois estados, um dos quais é mais ordenado.
Para quem se interessa pela ficção científica, a série “Dark Matter” da Apple TV+ oferece uma exploração intrigante da física quântica e a existência de universos paralelos, mergulhando em conceitos que ressoam com as pesquisas mais recentes.
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Diferente de uma simples mudança de estado, como a transição da água para vapor, essa transformação é exclusivamente impulsionada por fenômenos quânticos e não é influenciada pela temperatura, ocorrendo em condições próximas ao zero absoluto. No ponto exato do estado crítico, feixes de laser podem ativar o sistema em uma série de energias específicas, que se manifestam como degraus bem definidos.
“Esses patamares de energia, conforme previstos pelas teorias, são essenciais, pois contêm informações profundas sobre as próprias formulações teóricas”, afirmou Alicea, sublinhando a importância dessas medições.
Por aproximadamente quatro décadas, físicos têm utilizado as teorias de campos conformes para prever as proporções exatas que definem esses níveis de energia. No entanto, até a realização deste estudo inovador, essas distâncias energéticas jamais haviam sido confirmadas por meio de experimentos práticos.
“Nossas novas ferramentas foram inspiradas pelas plataformas de computação quântica”, declarou Xiangkai Sun, coautor principal do estudo e estudante de pós-graduação no laboratório de Endres. “Nos últimos dez anos, aprimoramos o controle sobre esses sistemas e agora podemos aplicá-los para conduzir investigações fundamentais na física”.
Em um contexto similar de pesquisa de ponta, físicos têm conseguido simular buracos negros utilizando feixes de luz, um esforço que visa testar e, possivelmente, comprovar a tese de Stephen Hawking sobre a radiação de buracos negros.
A equipe de pesquisa construiu o sistema quântico empregando uma técnica também aplicada no laboratório de Endres para computadores quânticos: arranjos de átomos neutros aprisionados por feixes de laser, conhecidos como pinças ópticas. Recentemente, um sistema análogo no mesmo laboratório conseguiu confinar 6.100 átomos em uma única formação. Embora as pinças ópticas tenham sido desenvolvidas primariamente para a computação quântica, os cientistas as utilizaram nesta pesquisa para investigar uma questão fundamental da física.
O procedimento experimental teve início com o alinhamento de átomos de estrôncio em fila, usando as pinças ópticas. Lasers adicionais foram empregados para induzir os átomos a estados de alta energia de Rydberg, o que intensificou significativamente a interação entre os átomos vizinhos. Essas interações levaram toda a cadeia a um comportamento unificado, em contraste com a ação de partículas isoladas.
Na sequência, os pesquisadores calibraram cuidadosamente os lasers até que o sistema atingisse o patamar crítico previsto pela teoria, um ponto de transição crucial para a observação dos fenômenos desejados.
Para determinar os níveis de energia, a equipe desenvolveu uma metodologia chamada espectroscopia de modulação de muitos corpos. Eles estimularam a cadeia atômica de maneira sutil, variando os lasers em frequências específicas e registrando a intensidade da resposta dos átomos. Ao analisar as frequências aplicadas e identificar os picos de reação, foi possível reconstruir a escala de energia do sistema. O conceito é análogo a deslizar um dedo molhado na borda de uma taça de vinho: o recipiente vibra intensamente na frequência exata, mas responde pouco se a frequência estiver incorreta.
“Nós repetimos a experiência em cadeias de até 35 átomos, e os estágios surgiram conforme o esperado pela teoria de campo conforme de Ising: os espectros convergiram para uma curva universal singular após serem ajustados pelo tamanho”, relatou Sun. “Posteriormente, calibramos o ponto tricrítico e medimos os níveis inferiores de seu espectro particular, que se manifestaram nas diferentes proporções preceituadas pela teoria, confirmando as previsões.”
Em um desenvolvimento relacionado, a Estação Espacial Internacional recebeu atualizações em seu laboratório quântico, permitindo que a NASA explore a criação do quinto estado da matéria, um passo importante para a pesquisa em ambientes de microgravidade.
O controle individualizado sobre cada átomo permitiu aos pesquisadores uma precisão sem precedentes, abrindo caminho para futuras investigações e aplicações em tecnologias quânticas avançadas.
