A mecânica quântica controla a realidade nos menores níveis, mas quando ampliada, muitas vezes é difícil avaliar como e por que esse domínio é importante no mundo prático. Dito isto, os físicos ocasionalmente descobrirão um uso estranhamente prático para fenómenos quânticos assustadores e, quando o fazem, a tecnologia é muitas vezes a maior beneficiária. Esse é o caso de uma nova descoberta relativa à superradiância – um aspecto da mecânica quântica que tradicionalmente tem causado mais dores de cabeça do que soluções.
Superradiância é um fenômeno no qual um grupo de partículas quânticas colabora para produzir sinais significativamente mais fortes. Continua a ser um sério incómodo para alguns físicos, uma vez que o fenómeno pode desestabilizar rapidamente os sistemas quânticos – e, por extensão, o funcionamento das principais tecnologias quânticas.
No entanto, investigadores da Áustria e do Japão desenvolveram um novo método para explorar a superradiância para produzir sinais de microondas poderosos e duradouros. A equipe relatou seus resultados hoje em Física da Natureza. A equipe observa que a descoberta abre caminho para avanços tecnológicos na medicina, navegação e comunicação quântica, de acordo com um estudo. declaração.
“Esta descoberta muda a forma como pensamos sobre o mundo quântico”, disse Kae Nemoto, coautor do estudo e físico do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), no Japão, no comunicado. “Essa mudança abre direções inteiramente novas para as tecnologias quânticas.”
Trabalho em equipe quântica questionável
O físico Robert Dicke propôs a ideia de superradiância em 1954. Desde então, os físicos identificaram e até utilizaram a superradiância para uma variedade de sistemas, incluindo semicondutores, lasers experimentais de raios Xe até mesmo para explicar o caos próximo às rajadas rápidas de rádio e buracos negros.
A superradiância normalmente ocorre quando um grupo de átomos excitados fica emaranhado após interagir com uma fonte de luz. Isso produz uma explosão de luz curta, mas intensa – emitindo substancialmente mais energia do sistema do que se uma única partícula saltasse sozinha.
Ordem do caos
Para o experimento, os pesquisadores capturaram pequenos defeitos atômicos dentro de uma cavidade de micro-ondas. As cavidades continham minúsculas câmaras com spins de elétrons, que serviam como “ímãs em miniatura” para representar diferentes estados quânticos. Em seguida, observaram como o sistema mudou ao longo do tempo, aplicando os dados a extensas simulações de computador para descrever melhor a física em funcionamento.
Os pesquisadores notaram um estranho “trem de pulsos de micro-ondas estreitos e de longa duração” que se seguiu a uma explosão superradiante, que eles investigaram mais detalhadamente em suas simulações. Eles descobriram que, surpreendentemente, “as interações aparentemente confusas entre os spins, na verdade, alimentam a emissão”, disse Wenzel Kersten, principal autor do estudo e físico da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, no comunicado.
“O sistema se organiza, produzindo um sinal de micro-ondas extremamente coerente a partir da própria desordem que normalmente o destrói”, acrescentou Kersten.
Uma inversão de conceitos
Como a superradiância liberta tanta energia, os cientistas suspeitam há muito tempo – e parcialmente confirmaram através de experiências – que ela cria desafios técnicos para a tecnologia quântica.
O novo estudo suplanta esta visão, sugerindo, em vez disso, que, com a abordagem certa, a próxima geração de tecnologias quânticas poderia beneficiar “das mesmas interações que antes se pensava perturbarem o comportamento quântico”, disse Nemoto.
Por exemplo, o sinal de micro-ondas forte e autossustentado poderia ajudar a operar relógios ultraprecisos, hyperlinks de comunicação e sistemas de navegação. Esses sinais também são altamente sensíveis às menores mudanças nos campos magnéticos ou elétricos, um recurso com aplicações potenciais para uma infinidade de dispositivos.
