Pesquisadores da Universidade de Hiroshima desenvolveram um método realista e altamente sensível para detectar o efeito Unruh – um fenômeno há muito predito na interseção da relatividade e da teoria quântica. Sua abordagem inovadora abre novas possibilidades para explorar a física fundamental e para o desenvolvimento de tecnologias avançadas.
O trabalho foi recentemente publicado na Physical Review Letters.
O efeito Fulling-Davies-Unruh, ou simplesmente efeito Unruh, é uma predição teórica impressionante na profunda interseção entre a Teoria da Relatividade de Albert Einstein e a Teoria Quântica. “Na teoria quântica, até mesmo o vácuo fervilha com pequenas flutuações de energia, onde partículas e antipartículas aparecem e desaparecem brevemente. Notavelmente, o efeito Unruh mostra como essas ‘ondulações de vácuo’ são percebidas depende do movimento do observador. Um observador estacionário não vê nada, mas um observador em aceleração percebe-as como partículas reais com uma distribuição de energia térmica – um ‘calor quântico'”, disse Noriyuki Hatakenaka, professor emérito da Universidade de Hiroshima.
O resultado contra-intuitivo enfatiza a importante conexão entre esses dois pilares da física moderna. Se os cientistas pudessem verificar experimentalmente o efeito Unruh, isso não apenas encerraria a lacuna entre a relatividade geral e a mecânica quântica, mas também forneceria insights profundos sobre a natureza do espaço-tempo. No entanto, a verificação experimental do efeito Unruh tem sido um desafio de longa data e significativo na física fundamental.
“O problema central tem sido as acelerações extraordinariamente grandes – da ordem de 1020 m/s2 – necessárias para tornar esse efeito detectável, tornando sua observação praticamente impossível com a tecnologia atual, pelo menos em sistemas de aceleração linear”, disse Haruna Katayama, professor assistente na Universidade de Hiroshima.
Os pesquisadores da Universidade de Hiroshima propuseram uma abordagem promissora para observar o efeito Unruh. “Nosso trabalho visa superar esse obstáculo fundamental ao propor um método experimental inovador e viável. Utilizamos o movimento circular de pares metastáveis de fluxon-antifluxon dentro de junções de Josephson anelares acopladas”, disse Hatakenaka. Avanços na microfabricação supercondutora permitem a criação de circuitos com raios extremamente pequenos, possibilitando acelerações efetivas imensamente altas e produzindo uma temperatura Unruh de alguns kelvins – alta o suficiente para ser experimentalmente detectável com a tecnologia atual.
“Propondo um método realista, altamente sensível e inequívoco para detectar o elusivo efeito Unruh, nosso sistema oferece um caminho claro para observar experimentalmente esse ‘calor fantasma’ da aceleração pela primeira vez”, disse Katayama. Em sua configuração inovadora, o “calor quântico” induzido pela aceleração circular provoca flutuações que desencadeiam a separação dos pares metastáveis de fluxon-antifluxon. Crucialmente, esse evento de separação manifesta-se como um salto de tensão macroscópica claro ao longo do circuito supercondutor. Esse salto de tensão serve como um sinal inegável e facilmente mensurável, fornecendo uma assinatura direta e robusta da presença do efeito Unruh. Ao analisar estatisticamente a distribuição desses saltos de tensão, os pesquisadores podem medir com alta precisão a temperatura Unruh.
“Um dos aspectos mais surpreendentes é que flutuações quânticas microscópicas podem induzir repentinos saltos de tensão macroscópicos, tornando o elusivo efeito Unruh diretamente observável. Mais impressionante ainda, a distribuição de comutação muda exclusivamente com a aceleração enquanto todos os outros parâmetros permanecem fixos – uma impressão digital estatística clara do próprio efeito Unruh”, disse Hatakenaka.
Olhando para o futuro, Katayama afirmou: “Nosso próximo passo imediato é realizar uma análise detalhada dos processos de decaimento dos pares de fluxon-antifluxon. Isso inclui investigar minuciosamente o papel do tunelamento quântico macroscópico, um fenômeno quântico-mecânico onde partículas podem passar por barreiras potenciais, que não foi extensivamente explorado neste trabalho inicial. Compreender esses intrincados mecanismos de decaimento será crucial para refinar a detecção experimental do efeito Unruh.”
O objetivo final desta pesquisa é multifacetado. Além da detecção imediata, eles pretendem investigar potenciais conexões entre este fenômeno e outros campos quânticos acoplados ao seu detector. “Ao aprofundar nosso entendimento desses novos fenômenos quânticos, esperamos contribuir significativamente para a busca por uma teoria unificada de todas as leis físicas”, disse Hatakenaka.
Os pesquisadores observam que as capacidades de detecção altamente sensíveis e de ampla gama desenvolvidas nesta pesquisa detêm imensa promessa para abrir caminho para aplicações futuras, principalmente na área de tecnologias quânticas avançadas. “Esperamos que este trabalho abra novas avenidas na física fundamental e inspire uma exploração mais profunda da verdadeira natureza do espaço-tempo e da realidade quântica”, disse Katayama.
A equipe de pesquisa inclui Noriyuki Hatakenaka, professor emérito na Escola de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia Avançadas da Universidade de Hiroshima, e Haruna Katayama, professor assistente na mesma escola.
Este trabalho foi apoiado por subsídios da JSPS KAKENHI e pelo Programa HIRAKU-Global, que é financiado pelo “Programa Estratégico de Desenvolvimento Profissional para Jovens Pesquisadores” do MEXT.
