Entrelaçamento quântico visto pela primeira vez em grandes domínios

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/09/2022

Diagrama de fase do LiHoF₄.
[Imagem: Andreas Wendl et al. - 10.1038/s41586-022-04995-5]

Mecânica quântica em larga escala

Como regra geral, as leis da mecânica quântica só se aplicam a partículas microscópicas. Por isso é surpreendente que físicos alemães tenham agora conseguido observar os efeitos do entrelaçamento quântico (ou emaranhamento quântico) em uma escala muito maior, envolvendo não um, mas milhares de átomos.

O entrelaçamento quântico é um dos fenômenos mais surpreendentes da física, com as partículas quânticas assumindo um estado de superposição compartilhado que permite que propriedades geralmente mutuamente exclusivas (por exemplo, preto e branco) ocorram simultaneamente - é isso que dá todo o "poder" aos qubits dos computadores quânticos.

A alegoria mais conhecida para descrever esses dois efeitos quânticos - entrelaçamento e superposição - é o gato de Schroedinger, que fica vivo e morto ao mesmo tempo, até que uma partícula seja medida, o que a faz "colapsar" em um estado único.

Os pesquisadores agora observaram todos esses comportamentos ocorrendo em uma escala muito maior do que a das partículas individuais.

Materiais que apresentam propriedades como o magnetismo, por exemplo, têm regiões conhecidas como domínios - ilhas nas quais as propriedades do material são homogeneamente de um tipo ou de um tipo diferente (imagine-os sendo preto ou branco, por exemplo).

Quando olharam o fluoreto de hólmio e lítio (LiHoF₄), contudo, os físicos descobriram uma transição de fase completamente nova, na qual os domínios, que são grandes, surpreendentemente apresentam características da mecânica quântica, resultando em suas propriedades entrelaçadas (como ser preto e branco ao mesmo tempo). "Nosso gato quântico agora tem uma nova pelagem porque descobrimos uma nova transição de fase quântica no LiHoF₄ que não era conhecida anteriormente," comentou o professor Matthias Vojta, da Universidade Técnica de Dresden.

Configuração do experimento e amostra de LiHoF₄.
[Imagem: Andreas Wendl et al. - 10.1038/s41586-022-04995-5]

Transições de fase e entrelaçamento

Podemos observar facilmente as propriedades de mudança de fase de uma substância olhando a água: a 100 ºC ela evapora em um gás, a 0 ºC ela se transforma em gelo sólido. Em ambos os casos, esses estados da matéria se formam como consequência de uma transição de fase em que as moléculas de água se reorganizam, alterando assim as características da matéria. Do mesmo modo, propriedades como magnetismo ou supercondutividade surgem como resultado de elétrons passando por transições de fase em cristais.

Quando nos aproximamos do zero absoluto (-273,15 ºC), contudo, os efeitos da mecânica quântica, como o entrelaçamento, entram em jogo, e então os físicos falam de transições de fase quânticas.

É o que acontece com o LiHoF₄: Perto do zero absoluto, ele é um ferroímã, no qual todos os momentos magnéticos apontam espontaneamente na mesma direção. Se você aplicar um campo magnético exatamente na vertical nessa direção magnética preferencial, os momentos magnéticos mudarão de direção, no que é conhecido como "flutuação".

Quanto maior a força do campo magnético, mais fortes serão essas flutuações, até um limite no qual o ferromagnetismo desaparece completamente - uma transição de fase quântica. E essa transição de fase leva ao entrelaçamento de momentos magnéticos vizinhos. "Se você segurar uma amostra de LiHoF₄ perto de um ímã muito forte, ela de repente deixa de ser magnética espontaneamente. Isso é conhecido há 25 anos," descreve Vojta.

É aí que entra novidade descoberta pela equipe, uma mudança que acontece quando você muda a direção do campo magnético. "Descobrimos que a transição de fase quântica continua a ocorrer, enquanto anteriormente se acreditava que, mesmo a menor inclinação do campo magnético a suprimiria imediatamente," explicou Christian Pfleiderer, coautor da pesquisa.

Sob essas condições, no entanto, não são momentos magnéticos individuais, mas sim extensas áreas magnéticas, os chamados domínios ferromagnéticos, que sofrem essas transições de fase quântica. Os domínios constituem ilhas inteiras de momentos magnéticos apontando na mesma direção.

É a mecânica quântica atuando sobre um número muito grande de partículas, ampliando muito a discussão sobre uma fronteira entre o mundo quântico e o mundo clássico.

Você sabe como as coisas fervem no mundo quântico?
[Imagem: Julio Larrea/IF-USP]

Da física fundamental às aplicações

A descoberta das novas transições de fase quântica é importante como fundamento e como um quadro geral de referência para a a pesquisa de fenômenos quânticos em materiais, bem como para novas aplicações.

"O entrelaçamento quântico é aplicado e usado em tecnologias como sensores quânticos e computadores quânticos, entre outras coisas," disse Vojta.

"Nosso trabalho está na área de pesquisa fundamental, que, no entanto, pode ter impacto direto no desenvolvimento de aplicações práticas se você usar as propriedades dos materiais de forma controlada," acrescentou Pfleiderer.

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