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Estudo aponta como ímãs quânticos imitam a luz

O que é luz? Parece uma pergunta simples, mas é uma das que tem ocupado algumas das melhores mentes científicas há séculos.

Agora, um estudo colaborativo com cientistas da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) acrescentou outra reviravolta à história, transformando uma teoria abstrata sobre as propriedades quânticas dos ímãs em uma hipótese testável sobre um novo tipo de luz.

ímãs para luz
ímãs para luz

Desde que Isaac Newton refratou a luz através de prismas em 1672, os cientistas foram divididos sobre se a luz é composta de partículas ou ondas. A luz parece viajar em linhas retas, como seria de se esperar de uma partícula, mas os experimentos de Newton mostraram que ela também tem frequência e comprimento de onda, como ondas sonoras.

Quase 200 anos depois, o físico escocês James Clerk Maxwell forneceu uma parte da resposta, quando percebeu que a luz era composta de campos elétricos e magnéticos flutuantes. Foi somente no século XX, através do trabalho de Einstein, que a luz foi finalmente entendida como sendo constituída por partículas fundamentais chamadas fótons, que agem como partículas e ondas.

Essa descoberta ajudou a inspirar a nova ciência da mecânica quântica, que descreve o comportamento da matéria e da energia nos níveis atômico e subatômico.

Mais recentemente, no final do século 20, os físicos começaram a explorar um fenômeno chamado emergência. Assim como o comportamento de grandes grupos de pessoas pode diferir do de qualquer membro único do grupo, a emergência descreve como partículas em grandes grupos podem se comportar de maneiras inesperadas, revelando novas leis da física ou fornecendo um novo contexto para as antigas. Uma pergunta que foi feita foi: “Pode haver algo como luz emergente?”

Isso nos leva ao Professor OIST Nic Shannon, Han Yan, um estudante de doutorado em sua Unidade de Teoria da Quântica, e seus colegas na Suíça e nos EUA. Seu trabalho recente gira em torno de uma estranha família de sistemas magnéticos conhecidos como spin ice, que escapam a todas as formas convencionais de ordem magnética e abrem uma janela para o mundo quântico.

Em ímãs convencionais como os de sua geladeira, os átomos magnéticos produzem um campo magnético minúsculo e trabalham juntos para gerar os campos magnéticos muito maiores que lhes permitem “grudar” em objetos metálicos. Isso é possível porque os minúsculos campos magnéticos associados a cada átomo diferente no ímã ordenam a si mesmos de modo que apontem na mesma direção.

No gelo rotativo, no entanto, os átomos não fazem o pedido magneticamente, mas ainda trabalham juntos para produzir um campo magnético que flutua na escala atômica.

Recentemente, os pesquisadores perceberam que os efeitos quânticos em baixas temperaturas podem introduzir um campo elétrico emergente no gelo giratório, com uma incrível consequência: campos elétricos e magnéticos emergentes se combinam para produzir excitações magnéticas que se comportam exatamente como fótons de luz.

“Ele se comporta como a luz, mas você não pode ver com os olhos”, disse o professor Shannon. “Imagine que o cristal de gelo é um universo minúsculo com suas próprias leis da natureza, e você está do lado de fora olhando para dentro. Você descobre o que está acontecendo lá dentro.

Em 2012, o Prof. Shannon e seu então aluno de PhD, Owen Benton, propuseram uma maneira de detectar a luz dentro de um gelo de spin quântico, fazendo com que os nêutrons magnéticos dentro do cristal fossem expelidos os nêutrons. Eles previram uma assinatura característica de como o cristal absorve a energia dos nêutrons, o que sinaliza a presença da eletrodinâmica emergente de um giro quântico.

Agora, em um artigo publicado na Nature Physics (“Assinaturas experimentais de eletrodinâmica quântica emergente em Pr2Hf2O7”), os autores relatam que eles observaram essa assinatura em um material chamado hafnato de praseodímio (Pr2Hf2O7).

Encontrar as assinaturas de luz emergente em um material real mostrou-se muito desafiador, pois exigia trabalhar a temperaturas de até 50 milíngel – menos de um décimo de grau acima do zero absoluto – com cristais livres de qualquer sujeira e imperfeições.

Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Dr. Romain Sibille do Instituto Paul Scherrer (PSI) na Suíça, em colaboração com colegas da Universidade de Warwick, no Reino Unido, conseguiu gerar um cristal perfeito de um material de gelo quântico com o qual eles poderiam finalmente testar a hipótese.

“É muito bonito, como uma pedra preciosa”, disse o professor Shannon, “e é incrível pensar que tudo é um grande cristal sem imperfeições”.

Sibille levou este cristal para o Instituto Institucional Laue-Langevin (ILL) em Grenoble, França, bem como para o Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), no Tennessee, EUA, para usar os espectrômetros de nêutrons especialmente desenvolvidos por essas instalações.

Em um experimento extremamente desafiador, a equipe de Sibille usou um conjunto de 960 super-espelhos revestidos com ligas de ferro, cobalto e vanádio que poderiam refletir seletivamente diferentes tipos de nêutrons – algo que sua instituição de origem PSI desenvolveu, e usou o instrumento HYSPEC (ORNL) para obter uma análise 3D de seus padrões de reflexão.

Em combinação com um mapeamento completo dos nêutrons espalhados usando o instrumento IN5 (ILL), isso permitiu que eles medissem a polarização das partículas espalhadas e mapeasse as assinaturas de energia que essas partículas produziam”.

A teoria do Dr. Benton e do Prof Shannon (ver foto) traz uma estranha semelhança com os mapas experimentais de energia. A representação gráfica da reflexão de nêutrons exibia os chamados pontos de estrangulamento, que são características de um giro quântico. Quando o gelo giratório era escaneado em baixas temperaturas, os pontos de contato desapareciam de uma forma que sugeria fortemente a luz emergente.

Yan trabalhou na teoria e analisou os dados experimentais para determinar a velocidade da luz emergente – um modesto 3,6m por segundo, tão rápido quanto alguém correndo uma maratona em quatro horas. Os fótons de luz normal – do tipo que você pode tomar sol – podem cobrir a mesma distância em menos de um milésimo de segundo.

“Para mim, é muito legal que esse material se comporte como um mini-universo com sua própria luz e partículas carregadas”, disse Han.

“No momento, não sabemos como explicar esses resultados sem invocar a mecânica quântica”, disse Shannon, “então parece que vimos a luz emergente”.

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Caroline Ramos