Explorando Sistemas Quânticos que não Encontram Equilíbrio
Alguns sistemas físicos, particularmente no mundo quântico, não alcançam estabilidade estável depois de muito tempo. Um pesquisador da ETH agora localizou uma descrição sofisticada para essa sensação.
Se você colocar uma garrafa de cerveja numa enorme banheira cheia de água fria, não demorará muito para você poder desfrutar de uma cerveja gelada. Os físicos descobriram como isso funciona mais de cem anos antes. A troca de calor ocorre através do recipiente de vidro até que o equilíbrio seja alcançado.
No entanto, existem outros sistemas, especificamente sistemas quânticos, que não localizam um equilíbrio. Assemelham-se a uma garrafa de cerveja teórica num banho de água gelada que não é constante e sem dúvida grande para o nível de temperatura da água do banheiro; no entanto, em vez disso, ele atinge estados diferentes dependendo da sua primeira temperatura. Anteriormente, esses sistemas confundiam os físicos. Mas Nicolò Defenu, um pós-doutorando no Instituto de Física Teórica ETH de Zurique, agora descobriu um meio de esclarecer esse comportamento com elegância.
Uma influência mais distante
Primeiramente, falamos sobre sistemas nos quais a base individual impacta os seus vizinhos imediatos e outras coisas melhor. Um exemplo seria uma galáxia: as forças gravitacionais de estrelas e sistemas planetários específicos agem não apenas nos objetos celestes vizinhos, mas muito, além disso — embora cada vez mais fracamente nos outros elementos da galáxia.
A técnica de Defenu começa a simplificar o problema para um mundo com uma única medição. Existe um bit quântico solitário que pode ficar apenas em localizações realmente detalhadas ao longo de uma linha. Este mundo parece um jogo de salão como o Ludo, onde um pequeno símbolo pula de quadrado em quadrado. Suponha que haja um dado de videojogo cujos lados estejam marcados como ‘um’ ou ‘menos um, e suponha que o jogador role o dado repetidamente, um a um. O token irá pular para um quadrado vizinho e, de lá, ele irá pular de volta, caso contrário, para o próximo quadrado. E mais.
A preocupação é: o que acontece se o jogador rolar o passe um número ilimitado de vezes? Se houver apenas alguns quadrados no videojogo, o token sem dúvida voltará ao seu fator inicial ocasionalmente. No entanto, é impossível prever com precisão para onde irá em um dado momento, dado que os lançamentos do dado são desconhecidos.
De volta à estaca zero
Acontece o mesmo com os bits sujeitos à legislação dos técnicos quânticos: não há como reconhecer com precisão para onde vão em um determinado momento. No entanto, é possível estabelecer o seu paradeiro usando distribuições de probabilidade. Cada distribuição surge de várias sobreposições de probabilidades para as áreas privadas e corresponde ao estado de potência específico do fragmento. Acontece que a variedade de determinados estados de potência acompanha a variedade de níveis de flexibilidade do sistema e, corresponde precisamente ao número de locais permitidos. O ponto crucial é que todas as distribuições de probabilidade seguras diferem de zero no fator inicial. Então, em algum ponto, o token retorna ao seu quadrado inicial.
Quanto mais quadrados houver, muito menos frequentemente a ficha irá, sem dúvida, retornar ao seu fator inicial; eventualmente, com uma variedade infinita de quadrados viáveis, ele nunca mais retornará. Para o fragmento quântico, isso indica um número ilimitado de maneiras pelas quais as oportunidades das áreas individuais podem ser incorporadas para criar circulações. Assim, ele pode ocupar apenas estados de energia discretos específicos; entretanto, todos os possíveis estão num espectro constante.
Nada disso é um conhecimento novo. No entanto, existem variantes do jogo ou sistemas físicos onde o dado também pode ser numerado mais significativo do que um e menor do que menos um, ou seja, as ações permitidas por relocação podem ser maiores — para ser preciso, também definitivamente enorme. Isso muda essencialmente a situação, como Defenu agora mostrou: nesses sistemas, a faixa de energia sempre permanece discreta, mesmo quando há quadrados ilimitados. Isso implica que, por vezes, a partícula sem dúvida retornará ao seu ponto de partida.
Fenómenos estranhos
Este novo conceito esclarece o que os pesquisadores têm observado às vezes em experimentos: sistemas nos quais ocorrem interações de longo alcance não chegam a um equilíbrio estável, mas sim a um estado metaestável em que sempre voltam ao seu posicionamento preliminar. Quando se trata de galáxias, este é um fator: elas estabelecem braços espirais em vez de serem nuvens consistentes. A densidade de celebridades é maior dentro desses braços do que fora.
Um exemplo de sistemas quânticos que pode ser explicado com o conceito de Defenu são os íons, átomos faturados aprisionados em áreas elétricas. O uso de tais capturas de iões para desenvolver sistemas de computador quântico está atualmente entre os trabalhos de pesquisa mais extensos em todo o mundo. No entanto, para que esses computadores forneçam uma modificação gradual em poder computacional, eles, sem dúvida, exigirão um número considerável de iões aprisionados de uma só vez — sendo precisamente o fator pelo qual o novo conceito se torna interessante. “Em sistemas com cem ou mais iões, você veria impactos peculiares que podemos explicar atualmente”, afirma Defenu, que faz parte do grupo do professor da ETH Gian Michele Graf. Os seus colegas de trabalho em física especulativa estão cada vez mais próximos do objetivo de conseguir compreender tais desenvolvimentos.
Referência: Nicolò Defenu, Metastability and discrete spectrum of long-range systems, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073 / pnas.2101785118
