Uma Estrutura Protegida Peculiar Liga Nós Viking com Vórtices Quânticos

Os pesquisadores demonstraram como três vórtices podem ser ligados para evitar que sejam desmontados. A estrutura dos vórtices se assemelha a um padrão utilizado pelos vikings e outras culturas antigas. Entretanto, esta pesquisa concentrou-se nos vórtices de uma forma especial de matéria conhecida como condensado de Bose-Einstein. As descobertas têm implicações para computadores quânticos, física de partículas e outros campos.

O estudo é publicado na revista Communications Physics

O cientista pós-doutorando Toni Annala utiliza cordas e vórtices de água para descrever o fenômeno: “Se você fizer uma estrutura de ligação a partir de três cordas ininterruptas em um círculo, você não pode desvendá-la porque a corda não pode passar por outra corda. Se, por outro lado, a mesma estrutura circular é feita na água, os vórtices de água podem colidir e fundir-se se não forem protegidos”.

”Em um condensado Bose-Einstein, a estrutura de ligação está em algum lugar entre ambos”, afirma Annala, que começou a trabalhar nisso na equipe de pesquisa do Prof. Mikko Möttönen no Aalto College antes de voltar para o College of British Columbia e depois para o Institute for Advanced Study em Princeton. Roberto Zamora-Zamora, pesquisador pós-doutorando na equipe da Möttönen, também esteve envolvido na pesquisa.

Os cientistas mostraram matematicamente a existência de uma estrutura de vórtices ligados que não podem se romper por causa de suas propriedades fundamentais. “O novo elemento aqui é que poderíamos construir matematicamente 3 vórtices de fluxo diferentes que estavam ligados, mas que poderiam não passar uns pelos outros sem consequências topológicas. Se os vórtices se interpenetram, uma corda se formaria na interseção que liga os vórtices e consome energia. Isto significa que a estrutura não pode se quebrar facilmente”, diz Möttönen.

Da antiguidade aos fios cósmicos

A estrutura é conceitualmente semelhante aos anéis borromeanos, um padrão de 3 círculos interligados amplamente utilizado em simbolismo e como um brasão de armas. Um símbolo Viking associado a Odin tem 3 triângulos entrelaçados de forma semelhante. Caso um dos círculos ou triângulos é removido, todo o padrão se dissolve, uma vez que os dois restantes não estão diretamente conectados. Cada elemento liga assim seus 2 parceiros, estabilizando a estrutura como um todo.

A análise matemática nesta pesquisa demonstra como poderiam existir estruturas robustas semelhantes entre vórtices atados ou interligados. Tais estruturas podem ser observadas em tipos específicos de cristais líquidos ou sistemas de matéria condensada e podem afetar a forma como esses sistemas agem e se desenvolvem.

“Para nossa surpresa, estes elos topologicamente protegidos e também nós não haviam sido inventados antes. Isto provavelmente porque a estrutura de ligação requer vórtices com 3 tipos distintos de fluxo, o que é muito mais complexo do que os antes considerados sistemas de 2 vórtices”, afirma Möttönen.

Estas descobertas podem um dia ajudar a tornar a computação quântica mais precisa. Em computadores quânticos topológicos, as operações lógicas seriam realizadas trançando tipos distintos de vórtices ao redor uns dos outros de várias maneiras. “Em líquidos normais, os nós se desfazem; no entanto, em campos quânticos, poderia haver nós com proteção topológica, como estamos descobrindo atualmente”, diz Möttönen.

Annala inclui que “o mesmo modelo teórico pode ser utilizado para descrever estruturas em muitos sistemas diferentes, tais como cordas cósmicas em cosmologia“. As estruturas topológicas utilizadas no estudo também correspondem às estruturas de vácuo na teoria quântica de campo. Os resultados também podem ter implicações para a física das partículas.

Os pesquisadores planejam mostrar teoricamente a presença de um nó em um condensado de Bose-Einstein que é protegido topologicamente contra a dissolução em um cenário experimentalmente viável. “A presença de nós topologicamente protegidos é uma das questões essenciais da natureza. Após uma evidência matemática, podemos passar a simulações e pesquisas experimentais”, afirma Möttönen.

Artigo Original em: PHYS.