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Testemunha-chave ajuda cientistas a detectar emaranhados quânticos 'assustadores' em materiais sólidos
Testemunhas de emaranhamento são técnicas que atuam como ferramentas de análise de dados para determinar quais giros cruzam o limiar entre os reinos clássico e quântico.
Por Laboratório Nacional de Oak Ridge - 07/11/2021


Os giros de um material, retratados como esferas vermelhas, são sondados por nêutrons dispersos. A aplicação de uma testemunha de emaranhamento, como o cálculo de QFI retratado, faz com que os nêutrons formem uma espécie de gagem quântica. Esta gagem permite que os pesquisadores distinguem entre flutuações de giro clássico e quântico. Crédito: Nathan Armistead/ORNL, Departamento de Energia dos EUA

O emaranhamento quântico ocorre quando duas partículas parecem se comunicar sem uma conexão física, um fenômeno que Albert Einstein chamou de "ação assustadora à distância". Quase 90 anos depois, uma equipe liderada pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA demonstrou a viabilidade de uma "testemunha de emaranhamento quântico" capaz de provar a presença de entrelaçamento entre partículas magnéticas, ou spins, em um material quântico.

A equipe — incluindo pesquisadores da ORNL, Helmholtz-Zentrum Berlin, da Universidade Técnica de Berlim, do Institut Laue-Langevin, da Universidade de Oxford e da Universidade Adam Mickiewicz — testou três testemunhas de emaranhamento usando uma combinação de experimentos de dispersão de nêutrons e simulações computacionais. Testemunhas de emaranhamento são técnicas que atuam como ferramentas de análise de dados para determinar quais giros cruzam o limiar entre os reinos clássico e quântico.

Introduzidas pela primeira vez por John Stewart Bell na década de 1960, testemunhas de emaranhamento confirmaram que a teoria quântica questionada por outros cientistas estava correta. A técnica de Bell dependia de detectar um par de partículas de cada vez, mas essa abordagem não é útil para estudar materiais sólidos compostos de trilhões e trilhões de partículas. Ao direcionar e detectar grandes coleções de spins emaranhados usando novas testemunhas de emaranhamento, a equipe ampliou esse conceito para caracterizar materiais sólidos e estudar comportamentos exóticos em supercondutores e ímãs quânticos.

Para garantir que as testemunhas pudessem ser confiáveis, a equipe aplicou os três a um material que eles sabiam estar envolvido por causa de um estudo anterior da dinâmica do spin. Duas das testemunhas, que são baseadas na abordagem de Bell, indicaram adequadamente a presença de emaranhamento nesta cadeia de spin unidimensional — uma linha reta de giros adjacentes que se comunicam com seus vizinhos enquanto desconsideram outras partículas — mas a terceira, que é baseada na teoria da informação quântica, se saiu excepcionalmente bem na mesma tarefa.

"As informações quânticas de Fisher, ou QFI, mostraram uma estreita sobreposição entre teoria e experimento, o que a torna uma maneira robusta e confiável de quantificar o emaranhamento", disse Allen Scheie, pesquisador de pós-doutorado da ORNL e autor principal do artigo de prova de conceito da equipe publicado na Physical Review B.

Como flutuações em um material que parecem ser quânticos na natureza podem ser causadas por movimento térmico aleatório, que só desaparece a zero absoluto na escala de temperatura, a maioria dos métodos modernos não pode distinguir entre esses falsos alarmes e a atividade quântica real. A equipe não só confirmou a previsão teórica de que o emaranhamento aumenta à medida que a temperatura diminui, mas também diferenciou com sucesso entre a atividade clássica e a quântica como parte da demonstração de QFI mais abrangente desde que a técnica foi proposta em 2016.
 
"Os materiais mais interessantes estão cheios de emaranhados quânticos, mas esses são precisamente os mais difíceis de calcular", disse o cientista de dispersão de nêutrons da ORNL Alan Tennant, que lidera um projeto focado em ímãs quânticos para o Quantum Science Center, ou QSC, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do DOE com sede na ORNL.

Anteriormente, o desafio de identificar rapidamente materiais quânticos apresentou um obstáculo significativo à missão do centro, que envolve explorar o emaranhamento para desenvolver novos dispositivos e sensores enquanto avança o campo da ciência da informação quântica. A simplificação desse processo com o QFI permite que os pesquisadores do QSC se concentrem em aproveitar o poder de substâncias como fases raras da matéria chamadas líquidos de spin quântico e materiais que não resistem à eletricidade chamadas supercondutores para aplicações de armazenamento de dados e computação.

"O poder do QFI vem de sua conexão com a metrologia quântica, na qual os cientistas emaranham múltiplas quasepartículas para diminuir a incerteza e obter medidas extremamente precisas", disse Scheie. "A testemunha QFI inverte essa abordagem usando a precisão de uma medição existente para determinar o número mínimo de partículas com as quais cada giro está emaranhado. Esta é uma maneira poderosa de revelar interações quânticas, o que significa que o QFI é realmente aplicável a qualquer material magnético quântico."

Tendo estabelecido que a QFI poderia categorizar corretamente os materiais, a equipe testou uma segunda cadeia de spin unidimensional, um material mais complexo com anisotropia, que é uma propriedade que faz com que os giros se deitem em um plano em vez de girar aleatoriamente. Os pesquisadores aplicaram um campo magnético à cadeia de spin e observaram uma transição de entrelaçamento, na qual a quantidade de emaranhamento caiu para zero antes de reaparecer. Eles publicaram este achado em Physical Review Letters.

Para alcançar esses resultados, os pesquisadores estudaram ambas as cadeias de spin usando dispersão de nêutrons e, em seguida, analisaram dados legados de experimentos realizados décadas atrás na Fonte de Nêutrons do ISIS na Inglaterra e no Institut Laue-Langevin na França, juntamente com novos dados do Espectrômetro de Helicóptero de Ampla Gama Angular localizado na Fonte de Neutron spallation, uma instalação de usuários do DOE Office of Science operada pela ORNL. Também realizaram simulações complementares para validar os resultados contra dados teóricos idealizados.

Os nêutrons, que Tennant descreve como "lindamente simples", são uma ferramenta ideal para sondar as propriedades de um material devido à sua carga neutra e natureza não destrutiva.

"Ao estudar a distribuição de nêutrons que se espalham de uma amostra, que transfere energia, pudemos usar nêutrons como medida para medir o emaranhamento quântico sem depender de teorias e sem a necessidade de computadores quânticos maciços que ainda não existem", disse Tennant.

De acordo com a equipe, essa combinação de recursos computacionais avançados e experimentais forneceu respostas sobre a natureza do emaranhamento quântico originalmente solicitado pelos fundadores da mecânica quântica. Scheie espera que os cálculos de QFI provavelmente se tornem parte do procedimento padrão para experimentos de dispersão de nêutrons que poderiam eventualmente caracterizar até mesmo os materiais quânticos mais misteriosos.

 

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