Em materiais desordenados, as partículas sacudidas voltarão aos seus pontos de partida.

O efeito estranho é resultado de partículas quânticas serem ondas e partículas. Crédito da imagem: Getty

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Pela primeira vez, os físicos confirmaram um estranho fenômeno quântico no qual pequenas partículas, quando empurradas para fora do lugar, voltam imediatamente para o local de onde vieram.

O comportamento estranho, chamado de efeito bumerangue quântico, foi previsto há mais de 60 anos. Agora, um novo experimento publicado em 23 de fevereiro na revista Physical Review X mostra que o efeito é real: Quando partículas em sistemas desordenados são expulsas de seus locais, elas voam brevemente. Mas, na maioria das vezes, em vez de pousar em outro lugar, elas voltam para suas posições iniciais.

O estranho efeito não pode ser explicado pela física clássica e determinista; em vez disso, é uma consequência das regras bizarras da mecânica quântica. Quando os átomos existem não apenas como partículas, mas simultaneamente como ondas, essas ondas podem interferir umas com as outras, somando-se em alguns lugares e cancelando-se em outros para causar todo tipo de comportamento estranho que não esperávamos ver.

O físico teórico americano Philip Anderson lançou as bases para a previsão do efeito bumerangue quântico em 1958. No mundo quântico, os objetos se comportam como partículas discretas e ondas ao mesmo tempo, com a amplitude dessas ondas em qualquer região do espaço sendo ligada à probabilidade de encontrar uma partícula naquele local. 

Anderson percebeu que a desordem, ou aleatoriedade (como os defeitos aleatórios na estrutura de um material) pode fazer com que a onda de probabilidade de uma partícula se anule em todos os lugares, menos em uma pequena região do espaço. Enraizada no lugar e incapaz de se mover, mudar de estado ou compartilhar energia com o ambiente, a partícula se torna localizada.  

Anderson concluiu que os elétrons de um sistema desordenado se localizariam e que isso transformaria um metal de condutor elétrico em isolante. (Nos condutores, as partículas carregadas são livres para se mover dentro do material, mas são fixadas em um isolante.)

Mas o que aconteceria com uma partícula forçada de sua posição congelada por um choque repentino? Em 2019, os físicos sugeriram uma resposta: Os efeitos de interferência quântica forçariam a maioria das partículas localizadas desalojadas a retornar às suas posições iniciais às pressas.

Para demonstrar esse efeito experimentalmente pela primeira vez, os pesquisadores suspenderam um gás composto por 100.000 átomos de lítio em uma armadilha magnética antes de usar um laser para resfriá-los a algumas nano frações de um grau de zero absoluto, transformando os átomos em uma fase da matéria chamada condensado de Bose-Einstein. 

Ao resfriar o gás até quase o zero absoluto (menos 459,67 graus Fahrenheit, ou menos 273,15 graus Celsius), os cientistas fizeram os átomos perderem energia e entrarem nos mesmos estados de energia. Como os pesquisadores só conseguiam distinguir entre átomos idênticos em uma nuvem de gás observando os níveis de energia, essa equalização tem um efeito profundo: A nuvem outrora díspar de átomos vibrando, sacudindo e colidindo que compõem um gás mais quente torna-se, do ponto de vista da mecânica quântica, perfeitamente idêntico. 

Isso abre a porta para alguns efeitos quânticos verdadeiramente estranhos. Uma regra fundamental do comportamento quântico, o princípio da incerteza de Heisenberg, afirma que é impossível identificar simultaneamente a posição e o momento de uma partícula com precisão absoluta. No entanto, agora que os átomos condensados de Bose-Einstein não estão mais se movendo, todo o seu momento é conhecido. Isso faz com que as posições dos átomos se tornem tão incertas que os lugares que eles poderiam ocupar tornam-se maiores em área do que os espaços entre os próprios átomos.

Em vez de átomos discretos, então, os átomos sobrepostos na bola condensada difusa de Bose-Einstein agem como uma partícula gigante. Isso dá a alguns condensados de Bose-Einstein a propriedade de superfluidez, permitindo que suas partículas fluam sem qualquer atrito. Na verdade, se você pudesse mexer uma caneca cheia de um condensado de Bose-Einstein superfluido, ela nunca pararia de girar.

Isso significa que, quando os pesquisadores sacodem seu condensado com um feixe de laser, “é um chute coletivo para todos os átomos”, disse o principal autor Roshan Sajjad, físico da Universidade da Califórnia, Santa Barbara. “Como temos condensado, todos eles agem como uma onda, uma onda de matéria macroscópica”.

Todos os 100.000 átomos dos pesquisadores agindo como um, permitiram que eles rastreassem facilmente o momento dado ao seu sistema. Depois de submeter o condensado do átomo a uma série de 25 choques de laser, os pesquisadores observaram como os choques iniciais aumentaram o momento dos átomos no sistema, sugerindo que eles haviam sido brevemente deslocados de suas posições. Mas adicionar mais solavancos não continuou aumentando esse impulso. Em vez disso, trouxe o impulso médio de volta a zero; os átomos voltaram a seus locais de origem.

Esse comportamento nunca ocorreria em um sistema clássico; nesse caso, um pêndulo ou rotor constantemente sacudido absorveria continuamente a energia de cada sacudida. 

“As partículas clássicas fazem uma caminhada aleatória em uma paisagem complicada, mas se você esperar um tempo suficientemente longo, elas irão muito longe”, disse Dominique Delander, físico do Centro Nacional de Pesquisas Científicas da França que trabalhou em uma equipe que previu o efeito em 2019.

Esse não é o caso de um sistema dominado por efeitos quânticos. Nesse sistema, “cada partícula explorará alguma parte do cenário e, como também são ondas, cada uma carregará sua própria fase”, disse Delande. “Quando essas ondas interferem, a interferência é essencialmente destrutiva a longa distância”. Essa interferência destrutiva em larga escala das ondas de probabilidade das partículas é o que as faz voltar aos seus pontos de partida.

Os cientistas também confirmaram as condições sob as quais o bumerangue quântico não funcionaria mais, quando algo chamado simetria de reversão do tempo é quebrado.

A simetria de reversão no tempo é quando as leis físicas que agem em um objeto são as mesmas indo para a frente no tempo e para trás. Para que o efeito bumerangue quântico funcione, a simetria de reversão no tempo deve ser rigorosamente obedecida, o que significa que as partículas precisam ser atingidas por um pulso regularmente cronometrado de choques de laser. Depois que a equipe mudou o padrão do chute do laser regular para um irregular, a simetria do tempo foi quebrada, as regras da mecânica quântica que permitem o efeito foram violadas e o comportamento do bumerangue desapareceu.

Agora que os pesquisadores confirmaram que o efeito é real, eles querem testá-lo ainda mais, vendo se é possível que vários efeitos de bumerangue quânticos interativos ocorram ao mesmo tempo.

“Se pudermos ajustar a interação entre os átomos, enquanto fazemos esse experimento, ele se torna um estudo de muitos efeitos corporais, o que é algo com o qual estamos muito empolgados”, disse Sajjad. “Também queremos olhar para efeitos dimensionais mais altos, chutando-os com múltiplas frequências e introduzindo uma segunda ou terceira dimensão temporal”.

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Referência:

TURNER, Ben; MANN, Adam. Weird quantum boomerang predicted 60 years ago spotted for the first time. Live Science, 21, mar. 2022. Disponível em: <https://www.livescience.com/quantum-boomerang-effect-spotted>. Acesso em: 22, mar. 2022.