12.200 – Físicos amarram com sucesso os primeiros nós quânticos


Físicos teóricos previam que deveria ser possível que nós se formassem em campos quânticos há décadas, mas ninguém conseguia descobrir como realizar esta façanha experimentalmente. Agora, uma equipe internacional conseguiu fazer exatamente isso, amarrando nós em um superfluido pela primeira vez usando a manipulação de campos magnéticos, conforme relata a editora sênior de ciência do site Gizmodo, Jennifer Ouellette.
Liderados por David Hall, físico da Amherst College, nos Estados Unidos, e Mikko Möttönen, da Universidade Aalto, na Finlândia, o grupo descreve sua realização pioneira em um novo artigo publicado na revista “Nature Physics”. É difícil visualizar estes objetos quase abstratos para quem não está acostumado aos conceitos, mas eles são essencialmente anéis semelhantes a partículas em um campo quântico ligados uns aos outros exatamente uma vez.
Um matemático pode não considerar estas estruturas como verdadeiros nós. Tipicamente, um nó é definido como um círculo atado, como um pretzel, enquanto uma pulseira de borracha, por exemplo, seria considerada um “não nó”. Hall e Möttönen preferem pensar em suas estruturas como sólitons nodosos.
Mas o que é um sóliton? Um certo tipo de onda viajante que continua rolando para a frente a uma velocidade constante, sem perder sua forma. Tais objetos também aparecem na teoria quântica de campos. Ouellette explica: “Cutuque um campo quântico e você vai criar uma oscilação [onda] que geralmente se dissipa para fora, mas configure as coisas da maneira certa e essa a oscilação vai manter a sua forma”, exatamente como uma onda viajante.
Experiência inédita

Möttönen leu sobre previsões teóricas de nós quânticos e ficou intrigado com a possibilidade. Depois de fazer alguns cálculos no papel, ele fez simulações de computador para demonstrar o que procurar nos dados experimentais e uniu-se com o grupo de pesquisa de Hal e Amherst para testar suas descobertas.
Primeiro, eles precisavam de um meio – neste caso um estado quântico da matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein (BEC). Em temperaturas normais, os átomos se comportam de maneira muito semelhante a bolas de bilhar, batendo uns nos outros e em qualquer parede que os contenha. Mas eles fazem isso mais lentamente à medida que a temperatura diminui. Chegando até uma temperatura bilionésimos de grau acima do zero absoluto, os átomos ficam tão densamente próximos uns dos outros que começam a perder suas identidades individuais. Você acaba com uma amostra ultrafria da matéria quântica.
Os físicos criaram os primeiros BECs em 1995, 70 anos depois de terem sido previstos pela primeira vez, mas uma vez que descobriram o truque – e tinham a tecnologia certa – fazer BECs tornou-se rotina. “Agora, é só você espirrar e um BEC sai”, declarou Hall em entrevista ao Gizmodo. Mais especificamente, a matéria quântica presente nas experiências do estudo é um superfluido, uma vez que flui sem viscosidade.
Dando nós

O passo seguinte foi amarrar os nós através da manipulação inteligente de campos magnéticos. A amostra tem um campo superfluido quântico, melhor visualizado como uma série de pontos no espaço, cada um com uma orientação específica. Por exemplo, pense em um monte de setas apontando para cima – este é o estado inicial do superfluido. Quando se forma um nó, ele tem um núcleo, essencialmente um círculo de pontos onde as setas todas apontam para baixo.
Hall compara isto com as peças artesanais chamadas de Ojo de Dios. “Se você seguisse a linha do campo magnético, iria em direção ao centro, mas na última hora iria se distanciar dos demais em uma direção perpendicular”, explica. “É uma forma particular de rotação destas setas que lhe dá essa configuração conectada”.
A montagem experimental era tão delicada que, quando o processo começou, até mesmo pausas para ir ao banheiro eram proibidas. O menor movimento de qualquer objeto de metal – como uma cadeira de escritório – poderia perturbar o campo magnético e impedir que os nós se formassem. “Éramos limitados pela nossa capacidade de manter a nossa atenção focada”, admitiu Hall. “Depois de uma hora, suas costas estão te matando”.

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