Os físicos finalmente observam um estado exótico da matéria predito pela primeira vez em 1973

Uma equipe de pesquisadores observou um estado da matéria nunca antes visto, chamado de líquido de spin quântico, brincando com os spins de átomos de rubídio super-resfriados usando um simulador quântico. A descoberta tem implicações na maneira como os computadores quânticos funcionam e, talvez algum dia, nos ambientes nos quais os materiais podem ser supercondutores.

Existem muitos estados (também conhecidos como fases) da matéria para descobrir além do sólido, líquido e gás tradicional em Química 101. O estado de algo se refere à sua estrutura em um nível atômico e suas propriedades - por exemplo, quão rígido é estruturas moleculares são ou como seus elétrons estão dispostos em torno do núcleo atômico.

A existência de um determinado estado da matéria, denominado líquido de spin quântico, foi prevista em 1973 pelo falecido Philip W. Anderson e tem sido estudada desde então. Mas a pesquisa sobre o estado estava carregada de advertências: líquidos de spin quântico “ emergentes ”, “ próximos ” e “ candidatos ” abundavam. A equipe recente - um grupo de cientistas da Universidade de Harvard, MIT e da Universidade de Innsbruck, na Áustria - afirma ter encontrado uma instância da coisa real e publicado suas observações na revista Science.

“Quando PW Anderson propôs pela primeira vez a ideia desses estados líquidos de spin, ele estava exatamente procurando por um possível modelo microscópico para explicar os supercondutores de alta temperatura”, disse ao Gizmodo Giulia Semeghini, principal autora do artigo e física quântica em Harvard o email. Embora a conexão entre os líquidos de spin quântico e os supercondutores de braço w permaneça obscura , agora um modelo microscópico desse tipo foi desenvolvido.

Para descobrir o estado da matéria, a equipe usou algo chamado simulador quântico para imitar a física que acontece nos sólidos até o nível atômico. O simulador usa formas geométricas para representar a orientação de 219 átomos de rubídio em uma rede, que a equipe foi capaz de manipular da maneira que quisessem. (A máquina é chamada de simulador quântico porque não é exatamente um computador quântico; é um sistema de bits quânticos configurado para investigar um problema específico.)

“É um momento muito especial no campo”, disse Mikhail Lukin, um físico da Universidade de Harvard e co-autor do estudo, em uma editora universitária liberação . “Você pode realmente tocar, cutucar e cutucar esse estado exótico e manipulá-lo para entender suas propriedades ... É um novo estado da matéria que as pessoas nunca foram capazes de observar.”

O estado quântico não é líquido da maneira como você pode pensar; os átomos que a equipe estudou não estavam se espalhando, por si só. Em vez disso, os spins do elétron do rubídio eram insossos e nunca estavam de acordo.

Os spins de elétrons em constante conflito e mutação tornam os metais em estado líquido de spin quântico “frustrados”, no jargão dos cientistas, já que eles não conseguem alinhar como estão inclinados. Os líquidos de spin quântico estão entre os estados quânticos mais emaranhados e, quanto mais emaranhado um sistema, mais robusto ele é - o que significa que o computador quântico tem menos probabilidade de cair da superposição.

“De fato, o estado de engenharia parece demonstrar as principais propriedades do emaranhamento quântico em um QSL, o que é notável !!!” escreveu Robert McQueeney, físico da Iowa State University e do Ames Laboratory, em um e-mail. “O potencial trabalho futuro que inevitavelmente se seguirá é ainda mais emocionante, uma vez que a abordagem do átomo frio é altamente adaptável e ajustável.”

Quando as coisas ficam frias o suficiente, a matéria condensada (sólidos) torna-se bastante organizada. É essa ordem que torna os sistemas supercondutores tão úteis para experimentos científicos precisos, desde rastrear as colisões de buracos negros supermassivos até forçar elétrons em feixes de laser de alta potência para estudar as menores estruturas que conhecemos. Mas quando resfriados até um pouco acima do zero absoluto, os elétrons dos átomos de rubídio rejeitaram essa ordem por existirem em um estado de fluxo constante, mesmo em temperaturas tão baixas: eles se tornaram um líquido quântico de spin.

Os bits de computador são, por definição, binários, o que significa que estão ligados ou desligados (1 ou 0, em linguagem binária). Em vez disso, os computadores quânticos usam qubits, que se baseiam no princípio da superposição, o que significa que podem ser tratados como ligados e desligados ao mesmo tempo, permitindo que o computador busque uma infinidade de soluções simultaneamente.

“A grande promessa dos líquidos de spin quântico é que eles podem ser usados ​​para realizar qubits robustos para computadores quânticos”, disse Semeghini. “A maneira típica de codificar um qubit é na verdade muito frágil a ruídos externos e perturbações. Codificar informações quânticas em um qubit topológico, usando diferentes estados topológicos de um líquido de spin quântico, dá origem a um qubit que é intrinsecamente resistente ao ruído. ”

Se a primeira direção mais confiável para levar esta pesquisa é fazer qubits mais robustos e, como resultado, computadores quânticos mais eficientes, o Santo Graal seriam supercondutores em temperatura ambiente. Eles são o que Anderson, que sonhou com líquidos quânticos de spin, estava tentando trabalhar, e eles têm sido uma ambição da física (e da indústria de energia) desde que o poder da supercondutividade foi realizado. Entre outras coisas, remover a resistência dos circuitos elétricos à temperatura ambiente revolucionaria a rede elétrica como a conhecemos porque não haveria perda de energia devido ao calor. Também significaria avanços onde quer que ímãs supercondutores sejam necessários atualmente: em tecnologias médicas como máquinas de ressonância magnética, aceleradores de partículas e em trens de levitação super-rápidos. Mas ainda há um longo caminho a percorrer antes de realizar esse sonho.

Quanto a saber se os líquidos quânticos de spin podem ajudar a lidar com a supercondutividade à temperatura ambiente, Semeghini disse que “Nosso experimento não responde diretamente a esta pergunta, mas é possível que continuar a fazer pesquisas sobre esses tipos de fases exóticas possa ajudar a compreender melhor a origem da alta supercondutividade de temperatura. ”

Mais: Por que os físicos continuam encontrando novos estados da matéria?