Físicos criam anéis quânticos bizarros de Alice pela primeira vez

Os pesquisadores manipularam milhares de átomos extremamente frios para criar um defeito semelhante a um anel que pode alterar as propriedades dos objetos quânticos que passam por ele

Por Karmela Padavic-Callaghan

29 de agosto de 2023

Ilustração artística de um anel de Alice, observado pela primeira vez

Heikka Valja/Universidade Aalto

Os físicos espiaram através do proverbial espelho, e os átomos do outro lado pertencem a um mundo de opostos. Pela primeira vez, os pesquisadores criaram um objeto quântico exótico chamado anel de Alice, que altera as propriedades de outros objetos quânticos quando eles passam por ele – ou quando são simplesmente vistos através dele.

Os sistemas quânticos – como coleções de átomos muito frios, ou mesmo todo o nosso universo – deveriam teoricamente conter objetos estranhos chamados defeitos topológicos. Alguns são como longas cordas, e outros são ainda mais estranhos: pontos de dimensão zero, no centro dos quais coisas como campos magnéticos se tornam matematicamente impossíveis de descrever.

Tais defeitos são difíceis de criar e observar. Mas Mikko Möttönen, da Universidade de Aalto, na Finlândia, e os seus colegas descobriram como criar um defeito topológico que rapidamente se transforma noutro.

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Para fazer isso, eles primeiro colocaram 250 mil átomos de rubídio em uma pequena câmara sem ar e, em seguida, atingiram-nos com lasers para retardar seu movimento natural e empurrá-los para uma temperatura próxima do zero absoluto. Sob estas condições, todos os átomos se comportaram como um grande objeto quântico. Devido a uma propriedade quântica chamada spin, esse objeto era sensível a campos magnéticos.

Möttönen diz que a equipe usou simulações de computador e modelos matemáticos para determinar como padronizar a direção e a força dos campos magnéticos, a fim de torcer os átomos até que um defeito topológico aparecesse. Essa abordagem já havia sido usada para criar defeitos chamados monopolos, partículas análogas a um ímã com um único pólo.

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Agora, os investigadores também observaram o destino de um monopolo: depois de alguns milissegundos, cada monopolo que criaram expandiu-se para um anel de Alice com uma propriedade muito estranha.

“Há uma peculiaridade neste anel de Alice. Dependendo se você olha para algum monopolo próximo através do anel ou pela lateral do anel, sua carga parece diferente. Então, o anel está invertendo a carga dos objetos que você olha”, diz Möttönen. Simulações de computador mostraram ainda que a carga de um monopolo mudaria completamente – de positiva para negativa, digamos – se se movesse através do anel de Alice.

Möttönen e seus colegas já usaram este método para criar defeitos topológicos em átomos ultrafrios, incluindo estruturas semelhantes a nós e redemoinhos especiais chamados skyrmions. O próximo desafio que eles estão enfrentando é não apenas criar um monopolo e um anel Alice, mas também fazer um passar pelo outro para testar diretamente sua função de espelho, diz ele.

Janne Ruostekoski, da Universidade de Lancaster, no Reino Unido, diz que o método desenvolvido pelos pesquisadores é único e pode até tornar possível a visualização de teoremas matemáticos abstratos. Por exemplo, poderia dar aos cientistas uma forma de investigar o chamado “teorema da bola peluda”, que dita a textura dos campos em torno dos defeitos topológicos.

Isto abre “oportunidades sem precedentes” para investigar teorias em cosmologia ou física de altas energias “onde não havia nenhuma evidência experimental antes”, diz ele.

Referência do diário:

Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-023-40710-2