Quando diferentes materiais passam de uma fase para outra, como a água fervendo ou um ímã perdendo sua capacidade de atrair metais, algo notável pode acontecer: eles começam a se comportar de maneira idêntica, seguindo as mesmas regras matemáticas. "Os físicos chamam essa característica de universalidade — os detalhes microscópicos e complexos desaparecem e apenas algumas características essenciais sobrevivem", explica Jason Alicea , professor de Física Teórica William K. Davis. A matemática por trás dessas características universais é comumente descrita por uma estrutura teórica chamada teoria de campos conformes.

Em um artigo publicado na revista Nature , uma colaboração entre o grupo experimental de Manuel Endres , professor de física do Caltech, e o grupo de teoria de Alicea, juntamente com teóricos da Universidade Paris-Saclay e da Universidade Técnica de Munique, realizou experimentos inéditos em duas teorias de campos conformes diferentes, utilizando simuladores quânticos, que são versões simplificadas de computadores quânticos adaptadas para tarefas específicas.

Utilizando uma nova tecnologia desenvolvida para esses simuladores quânticos, a equipe relata a primeira medição direta dos níveis de energia em matéria quântica sintética, conforme previsto pelas teorias de campo conforme de Ising e Ising tricrítico. (Ising refere-se a Ernst Ising, um físico que, na década de 1920, resolveu um dos primeiros modelos de magnetismo.) Ambas as teorias descrevem um comportamento universal que emerge quando um sistema quântico — exibindo características exóticas como emaranhamento e superposição — é colocado em um ponto de inflexão entre dois estados, um dos quais é mais ordenado que o outro.

Ao contrário das transições comuns do dia a dia, como a água se transformando em vapor, esta não é impulsionada pela temperatura, mas sim por efeitos quânticos que ocorrem em temperaturas próximas do zero absoluto. Uma vez atingido esse ponto crítico, o sistema pode ser excitado por lasers para alcançar uma série de energias específicas, como os degraus de uma escada. "Os níveis de energia previstos por essas teorias são importantes porque codificam informações profundas sobre as próprias teorias", afirma Alicea.

Durante quatro décadas, os pesquisadores usaram teorias de campos conformes para calcular os espaçamentos entre esses degraus, que vêm em proporções precisas, mas ninguém os havia medido em um experimento até agora.

"Nossas novas ferramentas se inspiram em plataformas de computação quântica", diz Xiangkai Sun, coautor principal do novo estudo e estudante de pós-graduação que trabalha no laboratório de Endres. "Nos últimos 10 anos, as pessoas têm aprendido a controlar esses sistemas e agora chegamos ao ponto em que podemos usá-los para fazer pesquisa fundamental em física."

O sistema quântico do estudo é baseado em plataformas que o laboratório de Endres usa para construir computadores quânticos: conjuntos de átomos neutros aprisionados por lasers, chamados de pinças ópticas. Uma plataforma relacionada, também com átomos neutros, desenvolvida no laboratório recentemente alcançou um marco ao aprisionar 6.100 átomos em um único conjunto. Embora a tecnologia de pinças ópticas por trás desses conjuntos tenha sido desenvolvida principalmente com o objetivo de computação quântica, no novo estudo, a equipe a direcionou para uma questão da física fundamental.

Para o experimento, os pesquisadores usaram pinças ópticas para aprisionar átomos de estrôncio em linha reta. Em seguida, utilizaram outros lasers para excitar os átomos, levando-os a estados de alta energia chamados estados de Rydberg, que fazem com que os átomos vizinhos interajam fortemente. A cadeia de átomos passou então a se comportar como uma única entidade, em vez de partículas independentes. Por fim, os pesquisadores ajustaram os lasers de forma a posicionar a cadeia no ponto de inflexão.

Para decifrar a escala de energia, a equipe aplicou uma nova ferramenta desenvolvida para esses estudos, chamada espectroscopia de modulação de muitos corpos. Nessa abordagem, os pesquisadores agitaram suavemente toda a cadeia modulando os lasers em uma frequência escolhida e, em seguida, mediram a intensidade da resposta dos átomos. Ao percorrer as frequências e observar onde a resposta atingia o pico, a equipe conseguiu mapear os degraus da escala. O método é semelhante a passar um dedo molhado na borda de uma taça de vinho: na velocidade certa, a taça ressoa com o som e, na velocidade errada, nada acontece.

"Repetimos o experimento em cadeias de até 35 átomos, e os degraus apareceram conforme previsto pela teoria de campo conforme de Ising: os espectros colapsaram em uma única curva universal após serem reescalados pelo tamanho", diz Sun. "Em seguida, sintonizamos o ponto tricrítico e medimos os níveis mais baixos de seu espectro distinto, que apareceram nas diferentes proporções previstas pela teoria."

Como cada átomo na matriz pode ser endereçado individualmente, a equipe também conseguiu realizar tarefas muito mais difíceis com materiais tradicionais. Eles classificaram as excitações de acordo com sua simetria, revelando uma segunda família de degraus oculta na primeira medição. E, ajustando os átomos nas duas extremidades da cadeia, alteraram a disposição da escada — cada configuração produziu um padrão diferente, conforme previsto pela teoria de Ising tricrítica.

"Mesmo acreditando que essas teorias eram verdadeiras, é importante ter uma comprovação experimental, algo que possamos testar e analisar", diz Alicea. "Ver essas previsões se concretizarem é algo maravilhoso."

No futuro, a equipe planeja usar um sistema quântico ainda maior para estudar teorias de campos conformes, utilizando não apenas átomos em linha, mas também átomos em uma grade. "Em duas dimensões, as teorias de campos conformes não são tão bem compreendidas, então esta é uma oportunidade empolgante", diz Sun.

"O que me entusiasma é que a técnica não exige que se conheça a resposta antecipadamente. Aqui, podemos verificar nossas medições em relação a previsões exatas", diz Endres. "O próximo passo é aplicá-la a sistemas onde ninguém conhece a resposta quantitativamente — incluindo regimes que os computadores clássicos não conseguem alcançar."