Na experiência cotidiana, a aplicação repetida de força quase sempre leva ao aquecimento. Esfregar as mãos aquece a pele. Bater no metal com um martelo torna-o quente ao toque. Mesmo sem treinamento formal em física, as pessoas aprendem rapidamente uma regra básica: quando você dirige um sistema movendo-o, pressionando-o ou batendo nele, sua temperatura aumenta.
Os físicos esperam o mesmo comportamento em escalas muito menores. Em sistemas quânticos compostos de muitas partículas em interação, geralmente presume-se que excitações persistentes causam absorção constante de energia. À medida que a energia é gerada, o sistema deve aquecer. Mas uma experiência recente sugere que esta ideia nem sempre se aplica ao nível quântico.
Pesquisadores do grupo de Hans-Christoph Negerl, do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck, decidiram testar se um sistema quântico fortemente impulsionado iria inevitavelmente aquecer. A resposta deles foi inesperada.
Um gás quântico que para de absorver energia
A equipe criou um líquido quântico unidimensional feito de átomos em forte interação que foi resfriado a apenas alguns nanokelvins acima do zero absoluto. Usando luz laser, eles submetem os átomos a um potencial de rede que liga e desliga rápida e repetidamente. Essa configuração criou um ambiente pulsante regular que efetivamente empurrou os átomos para frente e para trás.
Nessas condições, os átomos devem absorver energia continuamente, semelhante à forma como alguém ganha impulso em um trampolim ao pular. Em vez disso, os pesquisadores observaram uma mudança surpreendente. Após um curto período inicial, a difusão do momento do átomo para. A energia cinética do sistema para de aumentar e fica plana.
Embora os átomos ainda estivessem em movimento e continuassem a interagir fortemente entre si, eles não absorviam mais energia. O sistema entra em um estado conhecido como localização dinâmica de muitos corpos (MBDL). Nesta condição, o impulso fica travado em vez de se espalhar livremente.
“Neste estado, a coerência quântica e o emaranhamento de muitos corpos evitam que o sistema apresente termalização e comportamento dissociativo, mesmo sob condução externa sustentada”, explica Hans-Christoph Negerl. “A distribuição de impulso essencialmente congela e mantém a estrutura que possui.”
Um resultado arrumado que desafiou as expectativas
Os resultados surpreenderam até os cientistas envolvidos. O autor principal, Yanliang Guo, reconheceu que o comportamento ia contra suas previsões. “Inicialmente esperávamos que os átomos começassem a voar. Em vez disso, eles se comportaram de maneira surpreendentemente ordenada.”
Lei Ying, pesquisador da Universidade de Zhejiang, em Hangzhou, China, compartilha dessa reação. “Isso não corresponde às nossas expectativas ingênuas. O mais interessante é que, em um sistema fortemente impulsionado e em forte interação, a coerência de muitos corpos pode claramente interromper a absorção de energia. Isso vai contra a nossa intuição clássica e revela uma estabilidade notável na raiz da mecânica quântica.”
Eng também observou que recriar esse comportamento usando simulações clássicas de computador é extremamente desafiador. “É por isso que precisamos de experimentos. Eles andam de mãos dadas com nossas simulações teóricas.”
Por que a coerência quântica é importante
Para ver quão forte era realmente esta condição incomum, os pesquisadores modificaram o experimento adicionando aleatoriedade à sequência de condução. O efeito foi imediato. Mesmo uma pequena quantidade de desordem foi suficiente para destruir a localização.
Uma vez que a coerência é perturbada, os átomos se comportam de maneira mais convencional. Seu momento se espalha novamente, a energia cinética aumenta rapidamente e o sistema começa a absorver energia sem limites. “Este experimento destaca que a coerência quântica é crucial para prevenir a termalização em tais sistemas de muitos corpos”, disse Nagaral.
Implicações da futura tecnologia quântica
A descoberta do MBDL tem implicações que vão além da física fundamental. Prevenir o aquecimento indesejado é um dos maiores desafios enfrentados pelo desenvolvimento de simuladores quânticos e computadores quânticos. Esses dispositivos dependem da manutenção de estados quânticos delicados que podem ser 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 podem resistir à atração do caos”, disse Guo. Ao mostrar que o aquecimento pode ser completamente desligado nas condições certas, os resultados desafiam suposições de longa data sobre como a matéria quântica condutora se comporta.
A pesquisa abre novos caminhos para a compreensão de como os sistemas quânticos podem permanecer estáveis quando afastados do equilíbrio.
O estudo foi publicado ciência e recebeu apoio financeiro do Fundo Austríaco para a Ciência FWF, da Agência Austríaca de Promoção da Investigação FFG e da União Europeia, entre outros.
