Na experiência cotidiana, aplicar força repetida quase sempre leva ao aquecimento. Rubricar as mãos juntas aquece a pele. Golpear metal com um martelo o torna quente ao toque. Mesmo sem formação formal em física, as pessoas rapidamente aprendem uma regra básica: quando você continua impulsionando um sistema ao agitar, pressionar ou bater, sua temperatura aumenta.
Os físicos esperam o mesmo comportamento em escalas muito menores. Em sistemas quânticos compostos por muitas partículas interagentes, a excitacão contínua normalmente é considerada como causa da absorção constante de energia. À medida que a energia se acumula, espera-se que o sistema aqueça. No entanto, um experimento recente sugere que essa intuição nem sempre se aplica no nível quântico.
Pesquisadores do grupo de Hanns Christoph Nägerl no Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck realizaram um teste para verificar se um sistema quântico fortemente impulsionado necessariamente deve aquecer. A resposta foi inesperada.
Um Gás Quântico Que Para de Absorver Energia
A equipe criou um fluido quântico unidimensional composto por átomos fortemente interativos resfriados a apenas alguns nanokelvins acima do zero absoluto. Usando luz laser, submeteram os átomos a um potencial de rede que se ligava e desligava rapidamente e repetidamente. Essa configuração criou um ambiente pulsado regularmente que efetivamente impulsionava os átomos repetidamente.
Nessas condições, os átomos deveriam ter absorvido energia continuamente, semelhante a como o movimento se acumula em um trampolim quando alguém continua pulando. Em vez disso, os pesquisadores observaram uma mudança surpreendente. Após um período inicial curto, a dispersão do momento dos átomos parou. A energia cinética do sistema deixou de aumentar e estabilizou-se.
Embora os átomos ainda estivessem sendo impulsionados e continuassem a interagir fortemente entre si, eles não absorveram mais energia. O sistema havia entrado em um estado conhecido como localização dinâmica em muitos corpos (MBDL). Nesse estado, o movimento torna-se preso no espaço de momento em vez de se espalhar livremente.
“Neste estado, a coerência quântica e o entrelaçamento de muitos corpos impedem que o sistema se thermalize e mostre comportamento difusivo, mesmo sob um impulso externo sustentado,” explica Hanns Christoph Nägerl. “A distribuição de momento essencialmente congela e mantém a estrutura que possui.”
Um Resultado Ordenado Que Desafiou Expectativas
O resultado surpreendeu até mesmo os cientistas envolvidos. O autor principal, Yanliang Guo, admitiu que o comportamento ia contra o que eles haviam previsto. “Inicialmente, esperávamos que os átomos começassem a voar por toda parte. Em vez disso, eles se comportaram de maneira surpreendentemente ordenada.”
Lei Ying, um colaborador teórico da Universidade de Zhejiang, na China, compartilhou essa reação. “Isso não está de acordo com nossas expectativas ingênuas. O que é surpreendente é o fato de que, em um sistema fortemente impulsionado e fortemente interagente, a coerência de muitos corpos pode evidentemente parar a absorção de energia. Isso vai contra nossa intuição clássica e revela uma estabilidade notável enraizada na mecânica quântica.”
Ying também apontou que recriar esse comportamento usando simulações computacionais clássicas é extremamente desafiador. “É por isso que precisamos de experimentos. Eles andam de mãos dadas com nossas simulações teóricas.”
Por Que a Coerência Quântica Importa
Para ver quão robusto esse estado incomum realmente era, os pesquisadores alteraram o experimento adicionando aleatoriedade à sequência de impulsos. O efeito foi imediato. Mesmo uma pequena quantidade de desordem foi suficiente para destruir a localização.
Uma vez que a coerência foi perturbada, os átomos se comportaram de maneira mais convencional. Seu momento se espalhou novamente, a energia cinética aumentou rapidamente e o sistema retomou a absorção de energia sem limites. “Esse teste destacou que a coerência quântica é crucial para impedir a thermalização em tais sistemas de muitos corpos impulsionados,” diz Nägerl.
Implicações para Tecnologias Quânticas Futuras
A descoberta da MBDL tem implicações que vão além da física básica. Prevenir o aquecimento indesejado é um dos maiores desafios enfrentados no desenvolvimento de simuladores quânticos e computadores quânticos. Esses dispositivos dependem da manutenção de estados quânticos delicados que podem ser facilmente perdidos devido ao acúmulo de energia e à decoerência.
“Este experimento fornece uma maneira precisa e altamente ajustável de explorar como os sistemas quânticos podem resistir à atração do caos,” diz Guo. Ao mostrar que o aquecimento pode ser interrompido completamente sob as condições certas, as descobertas desafiam suposições há muito consideradas sobre como a matéria quântica impulsionada se comporta.
O estudo abre novos caminhos para entender como sistemas quânticos podem permanecer estáveis mesmo quando empurrados para longe do equilíbrio.
A pesquisa foi publicada na Science e recebeu apoio financeiro do Fundo Austríaco de Ciência FWF, da Agência Austríaca de Promoção da Pesquisa FFG e da União Europeia, entre outros.
