Resumo interno:
- Os computadores quânticos operam em temperaturas frias para manter a coerência dos qubits, mas esse requisito de temperatura muito baixa limita a robustez e a acessibilidade da tecnologia quântica.
- O desenvolvimento da tecnologia quântica pode exigir uma variedade de insights de campos como a ciência dos materiais, onde classes raras de materiais, como os supersólidos, podem abrir avanços em supercondutores avançados.
- A equipe da física Francesca Ferlaino, da Universidade de Innsbruck, capturou imagens de vórtices em grande escala em um supersólido, uma conquista que poderia informar o desenvolvimento de supercondutores espaciais e fornecer informações sobre o interior das estrelas de nêutrons.
- Os supersólidos, que combinam sólidos e superfluidos, ajudam a revelar princípios fundamentais que podem apoiar dispositivos quânticos mais robustos.
Na frieza do espaço, certos objetos residem entre os seus vizinhos estelares, imersos num ambiente gelado e rarefeito com uma realidade à temperatura ambiente. Esse também é o caso dos qubits supercondutores dentro dos refrigeradores especiais de limpeza que funcionam como seu último suspiro. É nessa frieza quase imaginária que os qubits podem, mas brevemente, existir sem serem perturbados. Aqui, os circuitos supercondutores podem conduzir eletricidade sem resistência, um ideal importante para manter a coerência quântica. E é aqui que os qubits podem existir num estado de superposição – um estado que é ao mesmo tempo natural e misterioso.
Esta área extrema é tanto uma prova da engenhosidade dos cientistas como um importante calcanhar de Aquiles na busca de vantagens quânticas. A necessidade de temperaturas muito baixas representa uma barreira tecnológica e económica, desafiando a robustez e a acessibilidade da tecnologia quântica. Ironicamente, o desenvolvimento da tecnologia quântica é um problema NP-difícil, exigindo contribuições de uma ampla rede de campos científicos. Embora existam muitos que se dedicam diretamente ao avanço da tecnologia, existem outras partes interessadas, que podem ou não estar cientes disso. Os avanços na ciência dos materiais, especialmente nas fases mais raras da matéria, podem fornecer conhecimentos que esclarecem ainda mais o mundo que nos rodeia, afectando em última análise o desenvolvimento da tecnologia moderna.
Por exemplo, considere qubits supercondutores. As estruturas atuais são limitadas pela natureza suave dos qubits para resfriamento em temperaturas muito baixas, mas o desenvolvimento de supercondutores à temperatura ambiente (ou aceitaremos altas temperaturas) pode levar a dispositivos estáveis e economizadores de energia, tornando a computação quântica ainda mais. o que aconteceu. Então, como passamos do estado atual de computação quase zero absoluto para um estado com temperaturas mais sustentáveis? A resposta é simples e claramente esperada: mini tornados.
A busca sem fim da tempestade quântica
Francesa Ferlaino, como muitos físicos que vieram antes dela, e muitos que virão depois, foi informada de que o que ela estava fazendo era impossível. Sua resposta diante dessa dúvida é muito importante para quem deseja participar de uma descoberta profunda: “Acho que conseguimos”.
Sentado no seu laboratório entre os altos picos dos Alpes austríacos, Ferlaino trabalhou incansavelmente para capturar um fenómeno quântico raro – uma marca do sempre misterioso supersólido. Graças à sua busca pelo que ele acreditava que seria o caso, fotografámos agora evidências de um fenómeno raro que pode desempenhar um papel no desenvolvimento de supercondutores avançados e responder a algumas questões pendentes relacionadas com o interior dos pulsares.
Sua jornada para chegar a esses resultados envolveu um esforço meticuloso de três anos de “perseguição de tempestade quântica”. Ao lado da sua equipa dedicada, Ferlaino criou um ambiente mais frio do que o espaço profundo, direcionando o campo magnético para agitar suavemente o seu gás quântico para ver os padrões de vórtices sem perturbar o estado ultra-sólido. O trabalho exigiu muita paciência e precisão devido à sua delicadeza. Ao início da noite de sexta-feira, depois de muita expectativa, os alunos de Ferlaino confirmaram o testemunho que procuravam, partilhando um momento de celebração que marca o fim de anos de dedicação.
Sobre a superposição de sólido e fluido
Num mundo onde a maioria de nós não somos físicos abstratos, aprendemos desde cedo que existem três fases distintas da matéria. No entanto, à medida que os cientistas continuam a explorar a natureza fundamental da matéria, descobrem classes incomuns que desafiam esta classificação clara, como os supersólidos. Então, o que exatamente é um supersólido e como ele confunde a linha entre o sólido e o líquido?
Conforme descrito em um artigo recente da Quanta, um supersólido é “simultaneamente um supersólido e um superfluido”. Pense em um cubo de gelatina. À primeira vista, parece sólido; você pode cortá-lo, colocá-lo ou segurá-lo na mão sem perder a forma. Mas se você esfregar bem, verá que ele se move, sugerindo uma dinâmica semelhante a um fluido sob sua superfície sólida. Agora imagine que essa gelatina pode fluir como a água, movendo-se sem resistência, ao mesmo tempo que mantém sua estrutura sólida. Este estado – sólido e fluido – é semelhante a um supersólido.
Num supersólido, os átomos organizam-se num padrão rígido, semelhante a um cristal, como partículas num sólido. No entanto, sob certas condições, também actuam como fluidos, permitindo que partes da estrutura se movam em perfeita sincronia sem conflito. É como se uma estrutura sólida e uma onda fluida existissem ao mesmo tempo, cada uma mantendo suas características únicas enquanto permanece harmoniosa. Esta combinação de solidez e fluidez permite que os supersólidos exibam alguns dos comportamentos mais estranhos da física, como a criação de pequenos redemoinhos ou vórtices quando girados.
Simbiose de Supersólidos e Tecnologia Quântica
O estudo dos supersólidos e das suas propriedades únicas tem implicações para o desenvolvimento da tecnologia quântica, especialmente no que se refere a qubits supercondutores que requerem temperaturas muito baixas para funcionar eficazmente. Avanços na compreensão dos supercondutores podem fazer com que os qubits operem em temperaturas mais altas, resultando em maior estabilidade e eficiência. Isto é importante para manter a coerência quântica, pois os supercondutores conduzem eletricidade sem resistência, reduzindo a perda de energia.
Da mesma forma, conforme observado em um artigo recente na Nature, encontrar materiais que apresentem bom desempenho em altas temperaturas poderia reduzir a necessidade de resfriamento extremo, tornando os dispositivos quânticos mais práticos e eficientes em termos energéticos.
Além disso, os vórtices observados em experimentos supersólidos são semelhantes aos dos supercondutores, onde o comportamento do vórtice influencia as propriedades magnéticas e elétricas, conforme destacado em uma publicação recente sobre propriedades de vórtices em supercondutores do Journal of Applied Physics. A obtenção de informações sobre a estrutura e dinâmica do vórtice pode informar estratégias para estabilizar ainda mais materiais supercondutores e, por sua vez, ter o potencial de melhorar o desempenho de dispositivos quânticos.
No geral, ao explorar as propriedades dos supersólidos, os pesquisadores poderão descobrir princípios fundamentais que podem levar ao desenvolvimento de tecnologias quânticas robustas e acessíveis.
O longo caminho para a descoberta
O conceito de supersólido – uma classe de materiais que combina a estrutura sólida de um sólido com o fluxo constante de um superfluido – foi proposto pela primeira vez em 1957 pelo físico Eugene P. Gross, conforme observado por Quanta. Foi sugerido que, sob certas condições, o hélio-4 sólido pode exibir propriedades de superfície, levando a um estado em que a matéria mantém sua estrutura cristalina enquanto permite que os átomos se movam sem resistência.
Nas décadas seguintes, a estrutura teórica dos supersólidos foi desenvolvida. Em 1969, os físicos russos Alexander Andreev e Ilya Lifshitz apresentaram a ideia de que vazios (átomos ausentes) na superfície sólida da rede de hélio poderiam facilitar o comportamento do tipo superfluido dentro da matriz sólida.
Os esforços experimentais para determinar a estabilidade do hélio sólido começaram na década de 1970, mas enfrentaram desafios significativos. Em 2004, o Physics World relatou que os pesquisadores Eun-Seong Kim e Moses Chan anunciaram observações que foram inicialmente interpretadas como prova da solidez do hélio-4. No entanto, estudos subsequentes levantaram questões sobre estas descobertas, explicando os fenómenos observados e outros efeitos, tais como mudanças na expansão do material.
Nos últimos anos, avanços foram feitos usando gases atômicos frios. Em 2017, equipes do MIT e da ETH Zurich criaram estados sólidos em condensados de Bose-Einstein manipulando interações entre átomos usando lasers e ímãs.
Esses testes forneceram evidências claras de um comportamento forte, fazendo progressos na área. Esta jornada das previsões teóricas à realização experimental de supersólidos destaca as complexidades e desafios na compreensão e observação de fases raras da matéria.
Um marco quântico: capturando vórtices em um supersólido pela primeira vez
Neste último estudo, publicado na Nature, Francesca Ferlaino e a sua equipa da Universidade de Innsbruck pretendem fornecer a prova definitiva de estabilidade: a existência de vórtices quantizados num estado muito forte. A equipe conseguiu isso por meio da agitação magnética, um método de rotação de um gás quântico dipolar por meio da manipulação de campos magnéticos. Este método baseia-se no sucesso anterior no ajuste de vórtices aos condensados de Bose-Einstein, mas nunca foi aplicado com sucesso a fases sólidas devido à sua estrutura complexa e frágil.
O experimento envolveu o resfriamento de um gás de átomos de disprósio para formar um supersólido dipolar com quatro picos de densidade, ou “gotículas”, em uma configuração bidimensional. Usando a agitação magnética, a equipe girou o campo magnético em torno do gás, efetivamente “revivendo” o supersólido sem perturbar o estado quântico. Medindo cuidadosamente as ondas de spin, eles conseguiram ver as diferentes estruturas de vórtices que se formaram nos espaços entre essas gotículas, que foram capturadas por uma técnica especial de imagem que transformou o supersólido em um condensado de Bose-Einstein para aumentar a visibilidade do vórtice. .
Esta observação foi uma confirmação de grande intensidade, sendo a primeira vez que vórtices foram vistos neste estado. As descobertas não apenas apoiam a estrutura teórica dos supersólidos, mas também podem levar a uma exploração mais aprofundada de suas propriedades únicas, que podem ter aplicações na compreensão da dinâmica de vórtices em campos que vão desde supercondutores de alto nível até regiões extremas dentro de estrelas de nêutrons.
Um estranho mundo novo
Os computadores quânticos supercondutores operam em um ambiente mais frio que o espaço sideral, uma tarefa de engenharia necessária, porém desafiadora, que demonstra tanto a promessa quanto as limitações das tecnologias quânticas atuais. A busca da vantagem quântica depende não apenas do desenvolvimento da computação quântica, mas também do desenvolvimento de toda a física, ciência dos materiais e outros campos.
Na sua jornada para compreender as fases da matéria rara, cientistas como Francesca Ferlaino alcançaram coisas que antes eram consideradas impossíveis, capturando evidências de que vórtices poderosos podem levar ao desenvolvimento de supercondutores à temperatura ambiente. Tais descobertas deixam claro para os outros: o mundo é mais comunitário do que parece, escolha a persistência quando for impossível e a colaboração interdisciplinar pode ser a chave para concretizar o potencial da computação quântica.
