Uma partícula quântica que atravessa um "defeito de dualidade" – uma fronteira entre ordem e desordem – nunca é refletida. Ela sempre passa através dele, mas sai transformada: não como uma partícula, mas como uma excitação difusa, semelhante a um fio, que os pesquisadores comparam a uma névoa tênue. 

As descobertas, publicadas na revista Nature Physics , podem ajudar a resolver um enigma da física com 40 anos, conhecido como o paradoxo do monopolo magnético. 

Os pesquisadores, das Universidades de Cambridge, Ghent e Oxford, inspiraram-se na imagem do fio de neblina do poema de Goethe, " Erlkönig" (Alce dos Reis ), imortalizado pelo compositor Franz Schubert em sua versão de 1815. No poema, um pai diz ao filho assustado que a figura fantasmagórica que ele vê é apenas "ein Nebelstreif" – um fio de neblina. Mas o pai acaba se enganando tragicamente.

Desde a década de 1980, os físicos têm teorizado sobre o que acontece quando uma partícula carregada se dispersa ao colidir com um monopolo magnético: uma carga magnética isolada. Alguns cientistas mostraram que o estado de saída da partícula parecia desaparecer, enquanto trabalhos posteriores sugeriram que os estados ausentes estavam ocultos em seções "torcidas" do monopolo. 

Agora, a equipe por trás do trabalho atual afirma ter demonstrado para onde essas partículas vão. Usando um modelo chamado cadeia de spin, eles dispararam pacotes de ondas quânticas – feixes localizados de ondas quânticas que ajudam a determinar a localização e o movimento prováveis de uma partícula – contra um defeito de dualidade. A partícula sempre cruzava a fronteira e reaparecia transformada: fraca, dispersa e deixando um rastro de volta à fronteira, como a Nebelstreif de Goethe.  

“A partícula atravessa o defeito todas as vezes – ela não tem escolha, porque o defeito pode ser movido livremente, então não há nada para a partícula ricochetear”, disse o coautor Professor Frank Verstraete, do Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica (DAMTP) de Cambridge e da Universidade de Ghent. “Mas o que sai do outro lado não é mais uma partícula comum. É o que chamamos de objeto não local – uma partícula presa a um fio invisível que se estende de volta ao defeito.” 

A pesquisa se baseia em anos de trabalho descrevendo a matéria quântica por meio do emaranhamento – uma característica da teoria quântica que faz com que duas partículas estejam intrinsecamente ligadas – em vez de partículas, usando ferramentas matemáticas chamadas redes tensoriais. 

Nesse contexto, o defeito de dualidade é representado por um objeto que inclui um espaço virtual geralmente tratado como um registro matemático. No presente estudo, os pesquisadores descobriram que o espaço virtual é, na verdade, físico: trata-se do próprio estado quântico interno do defeito, e seu tamanho determina quantos graus de liberdade internos o defeito possui. 

“As dualidades são simetrias estranhas: você não pode aplicá-las partícula por partícula, apenas ao sistema inteiro de uma só vez”, disse o coautor Dr. Laurens Lootens, também do DAMTP, que ajudou a estabelecer a estrutura matemática por trás do resultado. 

“Durante anos, as simetrias não invertíveis e os defeitos de dualidade foram estudados como estruturas belas, mas abstratas”, disse o coautor Professor Paul Fendley, da Universidade de Oxford. “Este trabalho lhes confere um significado operacional: jogue algo em uma delas e veja o que acontece.” 

Como o modelo subjacente é uma cadeia de spin simples, o efeito poderia ser testado em plataformas de simulação quântica existentes, como átomos frios, íons aprisionados e processadores supercondutores. Os pesquisadores afirmam que isso poderia levar à primeira observação direta de uma partícula mudando de identidade ao atravessar uma interface topológica. 

O poema de Goethe termina tragicamente: o pai chega ao pátio de sua casa e a criança em seus braços está morta, levada pelo Rei dos Elfos. Mas os pesquisadores chegaram à conclusão oposta: na verdade, tratava-se de uma Nebelstreif (uma fenda nas nuvens).