Na experiência cotidiana, a aplicação de força repetida quase sempre leva ao aquecimento. Rubbing suas mãos juntas aquece sua pele. Golpear metal com um martelo torna-o quente ao toque. Mesmo sem formação formal em física, as pessoas rapidamente aprendem uma regra básica: quando você continua movendo um sistema ao agitá-lo, pressioná-lo ou golpeá-lo, sua temperatura aumenta.
Os físicos esperam o mesmo comportamento em escalas muito menores. Em sistemas quânticos compostos por muitas partículas interagindo, normalmente se assume que a excitação contínua causa uma absorção de energia constante. À medida que a energia se acumula, o sistema deve aquecer. No entanto, um experimento recente sugere que essa intuição nem sempre se aplica no nível quântico.
Pesquisadores do grupo de Hanns Christoph Nägerl, do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck, se propuseram a testar se um sistema quântico fortemente excitado deve inevitavelmente aquecer. A resposta deles foi inesperada.
Um Gás Quântico Que Para de Absorver Energia
A equipe criou um fluido quântico unidimensional feito de átomos fortemente interativos resfriados a apenas alguns nanokelvins acima do zero absoluto. Usando luz laser, eles submeteram os átomos a um potencial em rede que ligava e desligava rapidamente e repetidamente. Essa configuração criou um ambiente regularmente pulsado que efetivamente impulsionava os átomos repetidamente.
Nas condições estabelecidas, 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 breve período inicial, a dispersão do momento dos átomos parou. A energia cinética do sistema deixou de aumentar e estabilizou.
Embora os átomos ainda estivessem sendo excitados e continuassem a interagir fortemente entre si, eles não absorveram mais energia. O sistema havia entrado em um estado conhecido como localização dinâmica de muitos corpos (MBDL). Nesse estado, o movimento se torna preso no espaço do momento em vez de se espalhar livremente.
“Nesse estado, a coerência quântica e o entrelaçamento de muitos corpos impedem que o sistema se torne térmico e mostre comportamento difusivo, mesmo sob excitação externa sustentada,” explica Hanns Christoph Nägerl. “A distribuição de momento basicamente congela e retém qualquer 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 contradizia o que eles haviam previsto. “Inicialmente, esperávamos que os átomos começassem a se espalhar. Em vez disso, eles se comportaram de uma maneira incrivelmente ordenada.”
Lei Ying, um colaborador teórico da Universidade Zhejing em Hangzhou, China, compartilhou essa reação. “Isso não corresponde à nossa expectativa ingênua. O que impressiona é o fato de que, em um sistema fortemente excitado e fortemente interativo, a coerência de muitos corpos pode evidentemente interromper 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 caminham de mãos dadas com nossas simulações teóricas.”
Por Que a Coerência Quântica é Importante
Para ver quão robusto esse estado incomum realmente era, os pesquisadores alteraram o experimento adicionando aleatoriedade à sequência de excitação. O efeito foi imediato. Mesmo uma pequena quantidade de desordem foi suficiente para destruir a localização.
Uma vez que a coerência foi interrompida, 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 limite. “Esse teste destacou que a coerência quântica é crucial para evitar a thermalização em tais sistemas de muitos corpos excitados,” diz Nägerl.
Implicações para Futuras Tecnologias Quânticas
A descoberta de 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 ao 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 totalmente interrompido sob as condições certas, as descobertas desafiam suposições de longa data sobre como a matéria quântica excitada se comporta.
O estudo abre novos caminhos para entender como os sistemas quânticos podem permanecer estáveis, mesmo quando empurrados longe do equilíbrio.
A pesquisa foi publicada na Science e recebeu apoio financeiro do Fundo de Ciência da Áustria FWF, da Agência Austríaca de Promoção de Pesquisa FFG e da União Europeia, entre outros.
