Um fenômeno físico exótico, envolvendo ondas ópticas, campos magnéticos sintéticos e reversão de tempo, foi observado diretamente pela primeira vez, após décadas de tentativas. A nova descoberta pode levar à realização do que é conhecido como fase topológica e, eventualmente, a avanços em direção a computadores quânticos tolerantes a falhas, dizem os pesquisadores.
A nova descoberta envolve o efeito não-abeliano de Aharonov-Bohm e é relatada hoje na revista Science pelo estudante de graduação do MIT Yi Yang, pesquisador visitante do MIT Chao Peng (professor da Universidade de Pequim), estudante de graduação do MIT Di Zhu, professor Hrvoje Buljan na Universidade de Zagreb, na Croácia, Francis Wright Davis Professor de física John Joannopoulos no MIT, Professor Bo Zhen na Universidade da Pensilvânia e professor de física do MIT Marin Soljacic.
A descoberta refere-se a campos de medida, que descrevem transformações pelas quais as partículas sofrem. Os campos de medidores se enquadram em duas classes, conhecidas como abeliana e não abeliana. O Efeito Aharonov-Bohm, nomeado em homenagem aos teóricos que o previram em 1959, confirmou que os campos de medição – além de ser um puro auxílio matemático – têm consequências físicas.
Mas as observações só funcionaram nos sistemas abelianos, ou naqueles em que os campos de medição são comutativos – isto é, ocorrem da mesma maneira tanto para a frente quanto para trás no tempo. Em 1975, Tai-Tsun Wu e Chen-Ning Yang generalizaram o efeito para o regime não-abeliano como um experimento mental. No entanto, não ficou claro se seria possível observar o efeito em um sistema não-abeliano. Os físicos não possuíam maneiras de criar o efeito no laboratório e também não possuíam maneiras de detectar o efeito, mesmo que pudesse ser produzido. Agora, esses dois quebra-cabeças foram resolvidos e as observações foram realizadas com sucesso.
O efeito tem a ver com um dos aspectos estranhos e contra-intuitivos da física moderna, o fato de que praticamente todos os fenômenos físicos fundamentais são invariantes no tempo. Isso significa que os detalhes de como as partículas e as forças interagem podem avançar ou retroceder no tempo, e um filme de como os eventos se desenrolam pode ser executado em qualquer direção, então não há como saber qual é a versão real. Mas alguns fenômenos exóticos violam a simetria do tempo.
Criar a versão abeliana dos efeitos de Aharonov-Bohm exige quebrar a simetria de reversão do tempo, uma tarefa desafiadora por si só, diz Soljacic. Mas para alcançar a versão não abeliana do efeito, é necessário quebrar essa reversão do tempo várias vezes e de maneiras diferentes, tornando-o um desafio ainda maior.
Para produzir o efeito, os pesquisadores usam polarização de fótons. Então, eles produziram dois tipos diferentes de quebra de reversão de tempo. Eles usaram fibra ótica para produzir dois tipos de campos de medição que afetavam as fases geométricas das ondas ópticas, primeiro enviando-as através de um cristal enviesado por poderosos campos magnéticos, e depois modulando-as com sinais elétricos variáveis ??no tempo, ambos quebrando a simetria de inversão de tempo. Eles foram capazes de produzir padrões de interferência que revelaram as diferenças em como a luz era afetada quando enviada através do sistema de fibra ótica em direções opostas, no sentido horário ou anti-horário. Sem a quebra da invariância de inversão de tempo, os feixes deveriam ter sido idênticos, mas, em vez disso, seus padrões de interferência revelaram conjuntos específicos de diferenças conforme previsto, demonstrando os detalhes do efeito indescritível.
A versão original abeliana do efeito Aharonov-Bohm “foi observada com uma série de esforços experimentais, mas o efeito não-abeliano não foi observado até agora”, diz Yang. A descoberta “nos permite fazer muitas coisas”, diz ele, abrindo a porta para uma ampla variedade de experimentos em potencial, incluindo regimes físicos clássicos e quânticos, para explorar variações do efeito.
A abordagem experimental desenvolvida por essa equipe “pode ??inspirar a realização de fases topológicas exóticas em simulações quânticas usando fótons, polaritons, gases quânticos e qubits supercondutores”, diz Soljacic. Para a própria fotônica, isso pode ser útil em várias aplicações optoeletrônicas, diz ele. Além disso, os campos de medidores não abelianos que o grupo foi capaz de sintetizar produziram uma fase Berry não abeliana e “combinados com interações, pode potencialmente um dia servir como plataforma para computação quântica topológica tolerante a falhas”, diz ele. .
Neste ponto, o experimento é principalmente de interesse para a pesquisa fundamental em física, com o objetivo de obter uma melhor compreensão de alguns fundamentos básicos da teoria física moderna. As muitas aplicações práticas possíveis “exigirão avanços adicionais daqui para frente”, diz Soljacic.
Por um lado, para computação quântica, o experimento precisaria ser escalado de um único dispositivo para provavelmente uma rede inteira deles. E, em vez dos feixes de luz laser usados ??em seu experimento, seria necessário trabalhar com uma fonte de fótons individuais. Mas mesmo em sua forma atual, o sistema poderia ser usado para explorar questões em física topológica, que é uma área muito ativa de pesquisas atuais, diz Soljacic.
Publicado em 05/09/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-09-exotic-physics-phenomenon.html
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