Na experiência cotidiana, a aplicação repetida de força quase sempre resulta na geração de calor. Esfregar as mãos aquece a pele. Bater no metal com um martelo o deixará quente ao toque. Mesmo sem treinamento formal em física, as pessoas aprendem rapidamente uma regra básica: quando você aciona continuamente um sistema, mexendo, pressionando ou batendo, sua temperatura aumentará.
Os físicos esperam que o mesmo comportamento ocorra em escalas menores. Em sistemas quânticos que consistem em muitas partículas interagindo, geralmente acredita-se que a excitação contínua leva à absorção estável de energia. À medida que a energia se acumula, o sistema deve aquecer. Mas uma experiência recente mostra que esta intuição nem sempre é verdadeira no nível quântico.
Pesquisadores do grupo de Hanns Christoph Nägerl, do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck, decidiram testar se sistemas quânticos fortemente impulsionados necessariamente aquecem. A resposta deles foi inesperada.
Gás quântico que para de absorver energia
A equipe criou um fluido quântico unidimensional de átomos fortemente interagindo, resfriados a apenas alguns nanokelvins acima do zero absoluto. Eles usaram lasers para submeter os átomos a um potencial de rede que era ligado e desligado rápida e repetidamente. Essa configuração cria um ambiente pulsado regularmente que efetivamente movimenta os átomos continuamente.
Nessas condições, os átomos deveriam absorver energia constantemente, semelhante ao movimento produzido em um trampolim quando uma pessoa continua pulando. Em vez disso, os pesquisadores observaram mudanças surpreendentes. Após uma breve fase inicial, a propagação do momento atômico cessa. A energia cinética do sistema para de aumentar e se estabiliza.
Embora os átomos ainda sejam impulsionados e continuem a interagir fortemente entre si, eles não absorvem mais energia. O sistema entrou em um estado denominado localização dinâmica de vários corpos (MBDL). Neste estado, o movimento fica bloqueado no espaço de momento em vez de se espalhar livremente.
“Neste estado, a coerência quântica e o emaranhamento de muitos corpos impedem o sistema de termalizar e exibir comportamento difusivo, mesmo sob constante atuação externa”, explica Hanns Christoph Nägerl. “A distribuição de impulso essencialmente congela e retém qualquer estrutura que possua.”
Resultados ordenados além das expectativas
Os resultados surpreenderam até os cientistas envolvidos. O autor principal, Yanliang Guo, admitiu que esse comportamento ia contra suas previsões. “Inicialmente esperávamos que os átomos começassem a voar. Em vez disso, eles se comportaram de uma maneira incomumente ordenada.”
Lei Ying, colaborador teórico da Universidade de Zhejiang, em Hangzhou, China, teve a mesma reação. “Isso não atende às nossas expectativas ingênuas. Surpreendentemente, em um sistema fortemente impulsionado e em forte interação, a coerência de muitos corpos pode aparentemente impedir a absorção de energia. Isso vai contra a nossa intuição clássica e revela uma estabilidade notável enraizada na mecânica quântica.”
Ying também ressalta que reproduzir esse comportamento usando simulações computacionais clássicas é extremamente desafiador. “É por isso que precisamos de experimentos. Eles se correlacionam estreitamente com nossas simulações teóricas.”
Por que a coerência quântica é importante
Para entender o quão poderoso é esse estado incomum, os pesquisadores alteraram o experimento adicionando aleatoriedade às sequências de condução. Os resultados são imediatos. Mesmo uma pequena confusão pode ser suficiente para atrapalhar o posicionamento.
Uma vez quebrada a coerência, o comportamento dos átomos torna-se mais regular. Sua energia cinética se espalha novamente, a energia cinética aumenta rapidamente e o sistema absorve energia infinitamente novamente. “Este teste destaca que a coerência quântica é crucial para prevenir a termalização em tais sistemas de muitos corpos”, disse Nägerl.
Impacto nas futuras tecnologias quânticas
A descoberta do MBDL tem implicações muito além da física fundamental. Prevenir o aquecimento desnecessário é um dos maiores desafios enfrentados pelo desenvolvimento de simuladores quânticos e computadores quânticos. Esses dispositivos dependem da manutenção de estados quânticos delicados que são facilmente perdidos através do acúmulo de energia e da decoerência.
“Este experimento fornece uma maneira precisa e altamente ajustável de explorar como os sistemas quânticos resistem à atração gravitacional do caos”, disse Guo. Ao demonstrar que o aquecimento pode ser completamente interrompido nas condições certas, as descobertas desafiam suposições de longa data sobre como a matéria quântica se comporta.
Esta pesquisa abre novos caminhos para compreender como os sistemas quânticos permanecem estáveis longe do equilíbrio.
O estudo foi publicado em ciência E recebeu financiamento do Fundo Austríaco para a Ciência FWF, da Agência Austríaca de Promoção da Investigação FFG, da União Europeia e de outras instituições.
