Nós quânticos são reais

EurekAlert

Original: Quantum knots are real!

AALTO UNIVERSITY

A primeiríssima observação de nós em matéria quântica acaba de ser relatada na publicação Nature Physics  pelos cientistas da Aalto University (Finlândia) e Amherst College (EUA). Os cientistas criaram ondas solitárias atadas, ou nós de sólitons, no campo mecâncio quiântico que descreve um gás de átomos superfluidos, também conhecido como Condensado de Bose-Einstein.

Em contraste com cordas atadas, o nó quântico criado existe em um campo que assume uma direção determinada em cada ponto do espaço. O campo é segregado em um número infinito de anéis ligados, cada um com sua própria direção de campo. A estrutura resultante é topologicamente estável, uma vez que não pode ser desmembrada sem quebrar os anéis. Em outras palavras, não se pode desatar o nó dentro do superfluido, a menos que se destrua o estado da matéria quântica.

  • Para realizar esta descoberta, expusemos um condensado de Rubídio a rápidas mudanças de um campo magnético especialmente projetado, atando o nó em menos de um milésimo de segundo. Depois que aprendemos a atar o primeiro nó, nos tornamos particularmente destros em fazê-lo. Até agora, atamos várias centenas desses nós – diz o Professor David Hall, Amherst College.

Os cientistas ataram o nó, espremendo a estrutura do condensado a partir das suas bordas. Para tanto, foi necessário inicializar o campo quântico apontando para uma direção em particular, após o que o campo magnético aplicado foi subitamente redirecionado, de forma a criar um ponto nulo isolado, no qual o campo magnético desaparece, no centro da nuvem. Foi necessário esperar por menos de um milissegundo para que o campo magnético operasse seu truque e atasse o nó.

  • Ao longo de décadas, os físicos vinham fazendo previsões teóricas de que seria possível haver nós em campos quânticos, porém jamais alguém conseguiu criar um. Agora que observamos um desses bichos exóticos, estamos realmente entusiasmados para estudar suas propriedades particulares. O mais importante é que nossa descoberta se conecta a vários conjuntos de campos de pesquisas que incluem cosmologia, energia de fusão e computadores quânticos – diz o lider do grupo de pesquisas Mikko Möttönen, Aalto University.

Nós têm fascinado e sido usados pelas civilizações humanas por milhares de anos. Por exemplo, eles permitiram grandes expedições marítimas e inspiraram desenhos e padrões intincados. A antiga civilização Inca usava um sistema de nós, conhecidos como quipu, para armazenar informações. Nos tempos modernos, se acreditava que os nós deviam desempenhar um importante papel nas fundações da natureza em termos de mecânica quântica, muito embora eles até agora permaneçam ocultos na dinâmica quântica.

Na vida cotidiana, os nós são normalmente atados em cordas e fios com duas extremidades. No entanto, esses tipos de nós não são o que os matemáticos chamam de topologicamente estáveis, uma vez que podem ser desatados sem se cortar as cordas. Nos nós estáveis, as extremidades das cordas são coladas, uma com a outra. Estes nós podem ser movimentados dentro da corda, mas só podem ser destados com uma tesoura.

Em termos matemáticos, o nó quântico criado realiza um mapa, conhecido como fibração de Hopf, descoberto por Heinz Hopf em 1931. A fibração de Hopf ainda é largamente estudada na física e na matemática. Agora ela foi experimentalmente demonstrada pela primeira vez em um campo quântico.

  • Este é o começo da saga dos nós quânticos. Seria ótimo ver aparecerem ainda mais nós quânticos ainda mais sofisticados, tais como aqueles com núcleos atados. Também seria importante criar esses nós em condições onde o estado da matéria fosse inerentemente estável. Um tal sistema permitiria estudos detalhados da estabilidade do próprio nó – diz Mikko Möttönen.

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Artigo sobre a pesquisa:

D. S. Hall, M. W. Ray, K. Tiurev, E. Ruokokoski, A. H. Gheorghe, e M. Möttönen

“Tying Quantum Knots”

Nature Physics, DOI: 10.1038/NPHYS3624

Link: http://dx.doi.org/10.1038/nphys3624

(A versão submetida para publicação pode ser encontrada em http://arxiv.org/abs/1512.08981)

Vídeo e imagens:

https://www.youtube.com/watch?v=fFIAINR6rTY

http://materialbank.aalto.fi:80/public/95cc3f59c88F.aspx

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