A física quântica é uma área da ciência que estuda partículas muito pequenas e complexas. Nessa área as coisas raramente são o que parecem. Exemplo disso é o anel de Alice. Em uma experiência revolucionária, físicos criaram pela primeira vez essa estrutura quântica que possui a fascinante habilidade de alterar as características de outras entidades quânticas.
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Em uma primeira abordagem experimental, os físicos investigaram átomos através do anel de Alice, e perceberam que esses átomos operavam de forma oposta do que quando observados normalmente. O que significa que o anel tem o poder de modificar as características de outros objetos quânticos. Quando as entidades quânticas passam por ele ou são medidas através dele, suas propriedades mudam. É como mágica, mas fundamentada na ciência.
Manipulando partículas
Defeitos topológicos são objetos estranhos encontrados em sistemas quânticos, como aglomerados de átomos super frios ou, teoricamente, em todo o nosso universo. Trata-se de uma perturbação ou descontinuidade em um sistema ordenado. Pense nisso como um “erro” ou “imperfeição” que é inerente à estrutura do sistema e não pode ser corrigido apenas por manipulações simples.
Esses defeitos aparecem em vários contextos na física e são fundamentais para entender certas propriedades dos materiais e fenômenos físicos. Alguns desses defeitos são diretos, como cordas alongadas, outros, no entanto, são mais misteriosos, como pontos que tornam certas propriedades, como campos magnéticos, muito complexas para explicar matematicamente.
Criar esses defeitos topológicos não é nada fácil. Mas Mikko Möttönen e sua equipe da Universidade Aalto na Finlândia descobriram um método. Eles começaram isolando 250.000 átomos de rubídio em uma câmara sem ar. Usando lasers, desaceleraram esses átomos e os trouxeram para uma temperatura próxima do zero absoluto. Neste ponto, os átomos se uniram em uma única entidade quântica, altamente sensível a campos magnéticos.
Usando simulações computacionais e modelos matemáticos complexos, a equipe de Möttönen descobriu uma maneira de manobrar os campos magnéticos. Seu objetivo era manipular esses átomos para formar um defeito topológico. Curiosamente, eles já usaram esta técnica para projetar monopólos – pense nessas partículas como ímãs com apenas um polo.
Desta vez, eles notaram algo extraordinário. Após alguns momentos, esses monopólos evoluíram para o anel de Alice, que tinha uma característica peculiar.
O resultado
Um anel de Alice é como uma combinação especial entre duas características particulares do mundo quântico: um monopolo e um anel de vórtice. Pense nisso como se você combinasse um ímã (monopolo) com um redemoinho circular (anel de vórtice). Ele aparece em certas condições específicas em um ambiente ultrafrio chamado condensado de Bose-Einstein.
Um Condensado de Bose-Einstein (BEC) é como se fosse um “superátomo”. É o que acontece quando um grupo de partículas chamadas bósons são resfriadas a uma temperatura quase zero absoluto. Nesse ponto ultrafrio, essas partículas não agem mais sozinhas, elas se juntam e se comportam como se fossem uma única, grande partícula. Este “superátomo”, é muito sensível e pode ser usado para estudar muitos fenômenos relacionados à mecânica quântica (como o anel de Alice) e à física da matéria condensada.
A característica peculiar apontada pelos cientistas é que ao olhar um monopolo através do anel de Alice, ou mesmo de seu lado, ele mudava sua carga. O anel estava efetivamente invertendo a carga dos objetos vistos através dele. Simulações de computador mostraram que a carga de um monopolo poderia ir de, digamos, positiva para negativa ao passar pelo anel de Alice.
Anteriormente, Möttönen e sua equipe usaram essa abordagem para criar outros defeitos topológicos em átomos super frios, como nós ou espirais chamados skyrmions (uma configuração especial em materiais magnéticos onde as partículas magnéticas estão girando). Seu próximo plano ambicioso é criar um monopolo e um anel de Alice e medir um movendo-se através do outro para entender melhor suas habilidades transformadoras.
Os avanços dos anéis de Alice
Janne Ruostekoski, da Universidade de Lancaster no Reino Unido, aprecia a novidade desta pesquisa. Ele acredita que isso poderia abrir caminho para visualizar conceitos matemáticos complexos, talvez até mesmo explorar o “teorema da bola cabeluda” – um princípio detalhando as estruturas ao redor dos defeitos topológicos.
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Estudar e compreender os anéis de Alice nos Condensados de Bose-Einstein (BECs) pode abrir portas para várias aplicações em campos como por exemplo:
- Computação quântica: Os anéis de Alice têm propriedades especiais que podem ajudar na construção de computadores quânticos mais resistentes a erros.
- Medição de campos magnéticos: Se for possível criar e controlar esses anéis, seria possível medir campos magnéticos com uma precisão incrível, nunca antes alcançada.
- Entender a física: Estudar os anéis de Alice pode dar respostas para algumas perguntas fundamentais sobre como funcionam certos aspectos do universo, especialmente em condições extremas.
A revelação do anel de Alice não é apenas uma mera conquista para a física de partículas, é um testemunho da engenhosidade humana, lançando luz sobre as fascinantes complexidades do mundo quântico. É fascinante como a ciência nos coloca diante de tantas formas diferentes de compreender o universo, né?
