Cientistas observam fase quântica exótica antes considerada impossível
No mundo da física quântica, onde o pequeno é verdadeiramente poderoso, pesquisadores da Universidade Rice realizaram uma observação direta de um fenômeno quântico surpreendente, previsto há mais de cinquenta anos. Este avanço pode abrir portas para aplicações revolucionárias na computação, comunicação e sensores quânticos.
Uma Transição Superradiativa: O Que é Isso?
A transição de fase superradiativa (SRPT) ocorre quando dois grupos de partículas quânticas começam a oscilar de forma sincronizada, formando um novo estado da matéria. É como se essas partículas tivessem decidido realizar uma dança coletiva sem qualquer estímulo externo.
Essa descoberta foi realizada em um cristal composto de érbio, ferro e oxigenio, resfriado a menos de 457 graus Fahrenheit e exposto a um campo magnético poderoso de até 7 teslas, de acordo com um estudo publicado na Science Advances.
Dasom Kim, doutoranda no Programa de Pós-Graduação em Física Aplicada da Rice e uma das autoras principais do estudo, explica que a SRPT foi inicialmente proposta como resultado de interações entre flutuações de vácuo quântico e flutuações de matéria. No entanto, neste trabalho, a transição foi realizada ao acoplar dois subsistemas magnéticos distintos: as flutuações de spin dos íons de ferro e de érbio dentro do cristal.
Enfrentando o Teorema do “No-Go”
Até agora, a possibilidade de uma SRPT realmente ocorrer era debatida, devido a uma limitação conhecida como teorema do “no-go” em sistemas baseados em luz. No entanto, ao encenar uma SRPT em um cristal magnético com base nas interações entre dois subsistemas de spin, os pesquisadores conseguiram contornar essa barreira, criando uma versão magnônica do fenômeno.
Concretamente, os magnons dos íons de ferro desempenham o papel tradicionalmente atribuído às flutuações do vácuo, enquanto os spins dos íons de érbio representam as flutuações de matéria. com técnicas espectroscópicas avançadas, os pesquisadores observaram sinais inequívocos de uma SRPT, com o sinal de energia de um modo de spin desaparecendo e outro mostrando uma mudança clara.
Essas impressões digitais espectrais correspondem exatamente ao que a teoria prevê para a entrada na fase superradiativa, dando à equipe alta confiança de que realmente induziram o estado há muito procurado.
Implicações Futuras para a Tecnologia Quântica
A empolgação dos pesquisadores não se deve apenas ao fato de uma previsão física de 50 anos ter sido confirmada, mas também pelo que isso pode significar para a tecnologia quântica. Estados quânticos coletivos na SRPT possuem propriedades únicas que podem ser aproveitadas para tecnologias quânticas de próxima geração.
Kim destaca que, próximo ao ponto crítico quântico dessa transição, o sistema naturalmente estabiliza estados quânticos comprimidos, onde o ruído quântico é drasticamente reduzido aumentando muito a precisão das medições.
Ao superar restrições experimentais anteriores, os pesquisadores estabeleceram um acoplamento ultraforte entre esses dois sistemas de spin, observando com sucesso uma SRPT.
Modelo Teórico e Aplicações Futuras
Sohail Dasgupta, estudante de pós-graduação em Rice, trabalhou com Kaden Hazzard, professor associado de física e astronomia, para modelar teoricamente a SRPT, com base em um modelo desenvolvido por Motoaki Bamba professor na Universidade Nacional de Yokohama.
Hazzard afirma que o sucesso mostra que conceitos da ótica quântica podem ser traduzidos em materiais sólidos, abrindo novas maneiras de criar e controlar fases da matéria usando ideias da eletrodinâmica quântica de cavidade.
Além disso, o cristal utilizado neste estudo é um exemplo de uma classe mais ampla de materiais, o que significa que a pesquisa abre caminho para explorar fenômenos quânticos em outros materiais com componentes magnéticos interagentes de forma similar.
