Na experiência cotidiana, a aplicação de força repetida quase sempre resulta em aquecimento. Esfregar as mãos aquece a pele. Bater no metal com um martelo torna-o quente ao toque. Mesmo sem formação formal em física, as pessoas aprendem rapidamente a regra básica: se continuarmos a manipular um sistema, agitando-o, pressionando-o ou batendo-lhe, a sua temperatura aumenta.
Os físicos esperam o mesmo comportamento em escalas muito menores. Em sistemas quânticos que consistem em muitas partículas em interação, geralmente assume-se que a excitação contínua causa absorção constante de energia. À medida que a energia se acumula, o sistema deve aquecer. Mas uma experiência recente mostra que esta intuição nem sempre se aplica ao nível quântico.
Pesquisadores do grupo de Hans-Christoph Nägerl, do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck, decidiram testar se um sistema quântico fortemente controlado deve inevitavelmente aquecer. A resposta deles foi inesperada.
Um gás quântico que para de absorver energia
A equipe criou um líquido quântico unidimensional que consiste em átomos fortemente interagindo, resfriados a apenas alguns nanokelvins acima do zero absoluto. Usando luz laser, eles expuseram os átomos a um potencial de rede que era ligado e desligado rápida e repetidamente. Essa configuração criou um ambiente pulsado regularmente que empurrou os átomos continuamente.
Sob estas condições, os átomos devem absorver continuamente energia, semelhante à forma como o movimento se acumula num trampolim à medida que alguém continua a saltar. Em vez disso, os pesquisadores observaram mudanças surpreendentes. Após um curto período inicial, a propagação do momento dos átomos parou. A energia cinética do sistema parou de aumentar e se estabilizou.
Embora os átomos ainda se movessem e continuassem a interagir intimamente uns com os outros, eles não absorviam mais energia. O sistema entrou em um estado conhecido como localização dinâmica de muitos corpos (MBDL). Neste estado, o movimento fica bloqueado no espaço de momentos em vez de se propagar livremente.
“Neste estado, a coerência quântica e o emaranhamento de muitos corpos impedem o sistema de termalizar e exibir comportamento difusivo mesmo sob influência externa sustentada”, explica Hans-Christoph Nägerl. “A distribuição do momentum está essencialmente congelada e mantém qualquer estrutura que possua.”
Um resultado arrumado que correspondeu às expectativas
O resultado surpreendeu até mesmo os cientistas interessados. O autor principal, Yanliang Guo, reconheceu que o comportamento contradizia o que eles haviam previsto. “Originalmente, esperávamos que os átomos começassem a voar. Em vez disso, eles se comportaram de maneira surpreendentemente ordenada.”
Lei Ying, pesquisador teórico da Universidade de Zhejiang, em Hangzhou, China, compartilhou esta reação. “Isso não atende às nossas expectativas ingênuas. É surpreendente que, em um sistema fortemente impulsionado e em forte interação, a coerência de muitos corpos possa aparentemente interromper a absorção de energia. Isso contradiz nossa intuição clássica e mostra uma estabilidade notável enraizada na mecânica quântica.”
Ying também observou que é extremamente difícil reproduzir tal comportamento usando simulações computacionais clássicas. “É por isso que precisamos de experimentos. Eles andam de mãos dadas com nossa modelagem teórica.”
Por que a coerência quântica é importante
Para ver quão confiável era essa condição incomum, os pesquisadores modificaram o experimento adicionando aleatoriedade à sequência de movimentos. O efeito foi imediato. Mesmo uma pequena bagunça foi suficiente para destruir a localização.
Uma vez quebrada a coerência, os átomos se comportaram de maneira mais convencional. Seu impulso se espalhou novamente, a energia cinética aumentou rapidamente e o sistema voltou a absorver energia sem limites. “Este teste mostrou que a coerência quântica é crucial para prevenir a termalização em tais sistemas controlados de muitos corpos”, diz Naegerl.
Implicações para futuras tecnologias quânticas
A descoberta do MBDL tem implicações que vão muito além da física básica. 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 frágeis que podem ser facilmente perdidos através do armazenamento de energia e da decoerência.
“Este experimento fornece uma maneira precisa e altamente ajustável de estudar como os sistemas quânticos podem resistir à atração do caos”, diz Guo. Ao mostrar que o aquecimento pode ser completamente interrompido nas condições certas, estas descobertas desafiam suposições de longa data sobre como a matéria quântica se comporta.
A pesquisa abre novos caminhos para a compreensão de como os sistemas quânticos podem permanecer estáveis mesmo quando longe do equilíbrio.
O estudo foi publicado em Ciência e recebeu apoio financeiro da Fundação Austríaca para a Ciência FWF, da Agência Austríaca de Promoção da Pesquisa FFG e da União Europeia, entre outros.
