Foto: TU Delft/Scixel

Como os materiais se comportam depende das interações entre incontáveis átomos. Você pode ver isso como um bate-papo em grupo gigante no qual os átomos estão continuamente trocando informações quânticas. Pesquisadores da Delft University of Technology em colaboração com a RWTH Aachen University e o Research Center Jülich agora conseguiram interceptar uma conversa entre dois átomos. Eles apresentam suas descobertas na revista Science.

Os átomos, é claro, não falam realmente. Mas eles podem reagir um ao outro. Este é particularmente o caso de átomos magnéticos. “Cada átomo carrega um pequeno momento magnético chamado spin. Esses spins influenciam uns aos outros, como as agulhas da bússola fazem quando você os aproxima. Se você der um empurrão em um deles, eles começarão a se mover juntos de uma maneira muito específica”, explica Sander Otte, líder da equipe que realizou a pesquisa. “Mas, de acordo com as leis da mecânica quântica, cada spin pode apontar simultaneamente em várias direções, formando uma superposição. Isso significa que a transferência real de informações quânticas ocorre entre os átomos, como uma espécie de conversa.”

Agulha afiada

Em grande escala, esse tipo de troca de informações entre átomos pode levar a fenômenos fascinantes. Um exemplo clássico é a supercondutividade: o efeito em que alguns materiais perdem toda a resistividade elétrica abaixo de uma temperatura crítica. Embora seja bem compreendido para os casos mais simples, ninguém sabe exatamente como esse efeito ocorre em muitos materiais complexos. Mas é certo que as interações quânticas magnéticas desempenham um papel fundamental. Com o propósito de tentar explicar fenômenos como esse, os cientistas estão muito interessados ​​em poder interceptar essas trocas; para ouvir as conversas entre os átomos.

Na equipe de Otte, eles tratam disso de maneira bastante direta: eles literalmente colocam dois átomos próximos um do outro para ver o que acontece. Isso é possível em virtude de um microscópio de tunelamento de varredura: um dispositivo no qual uma agulha afiada pode sondar os átomos um por um e pode até mesmo reorganizá-los. Os pesquisadores usaram este dispositivo para colocar dois átomos de titânio a uma distância de pouco mais de um nanômetro – um milionésimo de milímetro – um do outro. A essa distância, os átomos são capazes de detectar apenas o spin uns dos outros. Se você agora torcer um dos dois giros, a conversa começará por si mesma.

Normalmente, essa torção é realizada enviando sinais de rádio muito precisos para os átomos. Essa técnica chamada de ressonância de spin – que lembra bastante o princípio de funcionamento de um scanner de ressonância magnética encontrado em hospitais – é usada com sucesso na pesquisa de bits quânticos. Essa ferramenta também está disponível para a equipe Delft, mas tem uma desvantagem. “É simplesmente muito lento”, diz o Ph.D. Lukas Veldman, autor principal da publicação na Science. “Você mal começou a torcer um giro antes que o outro comece a girar. Dessa forma, você nunca pode investigar o que acontece ao colocar os dois giros em direções opostas.”

Abordagem pouco ortodoxa

Então, os pesquisadores tentaram algo não ortodoxo: eles inverteram rapidamente o spin de um dos dois átomos com uma explosão repentina de corrente elétrica. Para sua surpresa, essa abordagem drástica resultou em uma bela interação quântica, exatamente pelo livro. Durante o pulso, os elétrons colidem com o átomo, fazendo com que seu spin gire. Otte: “Mas sempre presumimos que durante esse processo, a delicada informação quântica – a chamada coerência – foi perdida. Afinal, os elétrons são incoerentes: a história de cada elétron antes da colisão é ligeiramente diferente e esse caos é transferido para o spin do átomo, destruindo qualquer coerência.”

O fato de que agora isso não parece ser verdade foi motivo de algum debate. Aparentemente, cada elétron aleatório, independentemente de seu passado, pode iniciar uma superposição coerente: uma combinação específica de estados quânticos elementares que é totalmente conhecido e que forma a base para quase todas as formas de tecnologia quântica.

Superposição perfeita

“O ponto crucial é que depende da pergunta que você faz”, argumenta Markus Ternes, co-autor da RWTH Aachen University e do Centro de Pesquisa Jülich. “O elétron inverte o spin de um átomo fazendo com que ele aponte, digamos, para a esquerda. Você poderia ver isso como uma medida, apagando toda a memória quântica. Mas do ponto de vista do sistema combinado que compreende os dois átomos, a situação resultante não é tão mundano. Para os dois átomos juntos, o novo estado constitui uma superposição perfeita, permitindo a troca de informações entre eles. Crucial para que isso aconteça é que ambos os spins se tornam emaranhados: um estado quântico peculiar no qual eles compartilham mais informações uns sobre os outros que não sejam classicamente possíveis.”

A descoberta pode ser importante para a pesquisa de bits quânticos. Talvez também nessa pesquisa você pudesse se safar sendo um pouco menos cuidadoso ao inicializar estados quânticos. Mas, para Otte e sua equipe, é principalmente o ponto de partida para experimentos ainda mais bonitos. Veldman: “aqui usamos dois átomos, mas o que acontece quando você usa três? Ou dez, ou mil? Ninguém pode prever isso, pois o poder de computação é insuficiente para esses números. Talvez um dia possamos ouvir conversas quânticas que ninguém jamais poderia ouvir antes.”

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