No reino da mecânica quântica, a geração do emaranhamento quântico continua sendo um dos objetivos mais desafiadores. Emaranhamento, simplesmente, é quando o estado quântico de cada partícula ou grupo de partículas não é independente dos estados quânticos de outras partículas ou grupos, mesmo em longas distâncias. Partículas emaranhadas sempre fascinaram os físicos, já que medir uma partícula emaranhada pode resultar em uma mudança em outra partícula emaranhada, conhecida como “ação fantasmagórica à distância” por Einstein. A esta altura, os físicos já entendem esse estranho efeito e sabem como usá-lo, por exemplo, para aumentar a sensibilidade das medições. No entanto, os estados emaranhados são muito frágeis, pois podem ser facilmente interrompidos pela decoerência. Os pesquisadores já criaram estados emaranhados em átomos, fótons, elétrons e íons, mas apenas recentemente os estudos começaram a explorar o emaranhamento em gases de moléculas polares.
“As moléculas são muito atraentes para simulação quântica, informações quânticas e medições de precisão”, explicou a Dra. Ana Maria Rey, professora adjunta de física da Universidade do Colorado em Boulder e bolsista da JILA. A razão é que as moléculas têm um grande número de graus internos de liberdade que podem ser um recurso útil para sensoriamento quântico e testes de física fundamental. Outro benefício do uso de moléculas em experimentos quânticos é que as moléculas também têm interações dipolares de longo alcance: em contraste com os átomos que precisam colidir uns com os outros para interagir, as moléculas podem interagir à distância. “As moléculas oferecem grandes vantagens em comparação com os átomos, mas, ao mesmo tempo, são muito difíceis de resfriar. Na verdade, resfriar as moléculas até a degenerescência quântica (condição alcançada quando estão frias o suficiente para fazer os efeitos quânticos dominarem) foi uma das as metas pendentes mais desejadas em muitos anos. O progresso tem sido muito lento, mas está acontecendo agora. ”
Em 2019 JILA Fellow e professor adjunto da University of Colorado, Boulder, Jun Ye, finalmente atingiu este marco importante. O laboratório de Ye conseguiu resfriar moléculas que consistem em um átomo de rubídio e um átomo de potássio até a degenerescência quântica e observar sua natureza quântica. Mais recentemente, ele tem compactado esse gás molecular em uma pilha de matrizes em forma de panqueca. O trabalho dos grupos de Rey’s e Ye’s investiga a empolgante nova física que surge devido às interações dipolares em tais matrizes em forma de panqueca.
A importância da geometria da panqueca
As reações químicas são um dos inimigos mais prejudiciais às moléculas de resfriamento. Alguns anos atrás, o laboratório Ye foi capaz de evitar reações químicas enquanto permitia que as moléculas interagissem umas com as outras por meio de interações dipolares, carregando as moléculas em uma rede 3D. Uma estrutura 3D pode ser imaginada como um cristal de luz perfeito. Em uma rede 3D, as moléculas são fixadas em locais de rede individuais sem se moverem. As moléculas então interagem por meio de interações dipolares da mesma maneira que os ímãs interagem: quando são colocados lado a lado, eles se repelem e quando são colocados cabeça com cauda eles se atraem. Em uma rede 3D, as moléculas experimentam interações atrativas e repulsivas e, como consequência, em média, as interações entre as moléculas se cancelam. Além disso, no experimento de rede 3D, a fração de preenchimento molecular era muito baixa, o que significa que as moléculas estavam em sua maioria bem distantes e interagiam muito fracamente.
Em um experimento recente, no entanto, o grupo Ye foi capaz de aumentar a densidade comprimindo um gás quântico degenerado 3D em algumas panquecas, cada uma com uma forma 2D plana. Dentro de uma panqueca, o grupo Ye descobriu que é possível suprimir reações químicas indesejáveis e, além disso, tornar as interações dipolo mais fortes. Isso ocorre porque em uma configuração 2D todas as moléculas se repelem e as interações não são médias. A observação emocionante feita pelos investigadores é que as fortes interações dipolares na panqueca também podem tornar o gás robusto a efeitos de defasagem indesejáveis e reações químicas. Bilitewski afirmou: Ao estudar esta forma, “conceitualmente, e este é o cerne deste trabalho, as interações entre as moléculas dependem dos estados quânticos em que estão e, portanto, deste confinamento. Então, você primeiro tem que descobrir o interações nessa nova geometria. Acontece que essas, na verdade, têm propriedades muito benéficas para gerar a dinâmica coletiva que buscamos. ” Mas a notícia ainda melhor é que as interações não apenas protegem o estado, forçando os dipolos moleculares a ficarem todos alinhados, mas também criam naturalmente o emaranhamento. Nas palavras de Bilitewski: “o benefício dessa sincronização coletiva é que o emaranhado que geramos se torna robusto a certos efeitos que normalmente destruiriam”. Essas matrizes emaranhadas de moléculas podem ter aplicações para futuras medições de várias quantidades, como campos elétricos, com a sensibilidade aumentada pelo emaranhamento.
O trabalho feito pelo grupo Rey ilustra a importância dos efeitos geométricos em gases dipolares e os fenômenos de muitos corpos emocionantes ainda a serem explorados uma vez que as moléculas são levadas à degeneração quântica. Ao teorizar sobre a importância desta forma 2D, Rey disse: “graças ao incrível trabalho feito por Thomas Bilitewski, fomos capazes de modelar sua dinâmica quântica e mostrar que deveria ser possível enredá-los, ele calculou todas as integrais necessárias para escrever um modelo eficaz, resolver as equações de movimento e mostrar que tudo pode funcionar para gerar emaranhamento por meio de processos de flip-flop induzidos por interações dipolares. ”
A produção de gases moleculares ultracold em geometrias controláveis sugere novas descobertas e previsões no campo da mecânica quântica. “Esta observação foi uma demonstração de que as moléculas podem explorar o magnetismo quântico”, acrescentou Rey, “Em outras palavras, as moléculas podem se comportar como ímãs quânticos e emular o comportamento dos elétrons em sólidos, por exemplo. Em nosso trabalho recente, fizemos um passo em frente nessa direção. ” A proposta apresentada pelos grupos Rey e Ye é apenas o começo de toda a grande ciência ainda a ser estudada com matrizes de emaranhamento de moléculas. De acordo com Bilitewski: “tudo isso é realmente empolgante no sentido de que estamos explorando um novo regime que só agora se tornou disponível no laboratório”.
Publicado em 31/03/2021 11h27
Artigo original:
Estudo original: