QUIONE desbloqueia o reino quântico
O microscópio QUIONE utiliza estrôncio para imagens de alta resolução e simulações quânticas, confirmando seu potencial em pesquisa quântica avançada. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com
QUIONE, um microscópio quântico de gás exclusivo desenvolvido por pesquisadores do ICFO na Espanha, utiliza estrôncio para simular sistemas quânticos complexos e explorar materiais em nível atômico. Visa resolver problemas além das capacidades computacionais atuais e já demonstrou fenômenos como a superfluidez.
A física quântica precisa de técnicas de detecção de alta precisão para aprofundar as propriedades microscópicas dos materiais. Dos processadores quânticos analógicos que surgiram recentemente, os chamados microscópios de gás quântico provaram ser ferramentas poderosas para a compreensão de sistemas quânticos em nível atômico. Esses dispositivos produzem imagens de gases quânticos com resolução muito alta: permitem detectar átomos individuais.
Desenvolvimento de QUIONE
Agora, os pesquisadores do ICFO (Barcelona, Espanha) Sandra Buob, Jonatan Höschele, Dr. em homenagem à deusa grega da neve. O microscópio quântico de gás do grupo é o único que capta imagens de átomos individuais de gases quânticos de estrôncio no mundo, bem como o primeiro desse tipo na Espanha.
Além das imagens impactantes nas quais átomos individuais podem ser distinguidos, o objetivo do QUIONE é a simulação quântica. Como explica a professora Leticia Tarruell do ICREA: “A simulação quântica pode ser usada para resumir sistemas muito complicados em modelos mais simples para então entender questões em aberto que os computadores atuais não conseguem responder, como por que alguns materiais conduzem eletricidade sem quaisquer perdas, mesmo em temperaturas relativamente altas. ”
Imagem da célula de vidro com a nuvem de gás estrôncio no meio Crédito: ICFO
A investigação do grupo do ICFO nesta área tem recebido apoios a nível nacional (prémio da Real Sociedade Espanhola de Física e projectos e bolsas da Fundação BBVA, Fundação Ramón Areces, Fundação La Caixa e Fundação Cellex) e europeu nível (incluindo um projeto ERC). Além disso, QUIONE é cofinanciado pelo Governo da Catalunha, através da Secretaria de Políticas Digitais do Departamento de Empresa e Trabalho, como parte do compromisso do Governo Catalão de promover as tecnologias quânticas.
A singularidade desta experiência reside no facto de terem conseguido levar o gás estrôncio ao regime quântico, colocá-lo numa rede óptica onde os átomos pudessem interagir por colisões e depois aplicar o único
” dados-gt-translate-attributes=”[{[“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”]” tabindex=”0″ role=”link”>atom técnicas de imagem. Esses três ingredientes juntos tornam o microscópio quântico de gás quântico de estrôncio do ICFO único em seu tipo.
Mapa do laboratório e localização do simulador quântico. Crédito: ICFO
Por que Estrôncio?
Até agora, essas configurações de microscópio dependiam de átomos alcalinos, como o lítio e o potássio, que têm propriedades mais simples em termos de espectro óptico em comparação com átomos alcalino-terrosos, como o estrôncio. Isso significa que o estrôncio oferece mais ingredientes para brincar nesses experimentos.
Na verdade, nos últimos anos, as propriedades únicas do estrôncio tornaram-no um elemento muito popular para aplicações nas áreas de
” dados-gt-translate-attributes=”[{[“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”]” tabindex=”0″ role=”link”>computação quântica e simulação quântica. Por exemplo, uma nuvem de átomos de estrôncio pode ser usada como um processador quântico atômico, o que poderia resolver problemas além das capacidades dos atuais computadores clássicos.
Em suma, os investigadores do ICFO viram um grande potencial para a simulação quântica no estrôncio e começaram a trabalhar para construir o seu próprio microscópio quântico de gás. Foi assim que nasceu a QUIONE.
A equipe do laboratório. Da esquerda para a direita: Sandra Buob, Antonio Rubio-Abadal, Vasiliy Makhalov, Jonatan Höschele e Leticia Tarruell. Crédito: ICFO
QUIONE, um simulador quântico de cristais reais
Para tanto, eles primeiro baixaram a temperatura do gás estrôncio. Usando a força de vários feixes de laser, a velocidade dos átomos pode ser reduzida a um ponto onde eles permanecem quase imóveis, quase sem se moverem, reduzindo a sua temperatura para quase
” dados-gt-translate-attributes=”[{[“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”]” tabindex=”0″ role=”link”>zero absoluto em apenas alguns milissegundos. Então, as leis da mecânica quântica governam seu comportamento, e os átomos apresentam novas características como superposição quântica e emaranhamento.
QUIONE desbloqueia o reino quântico
Depois disso, com a ajuda de lasers especiais, os pesquisadores ativaram a rede óptica, que mantém os átomos dispostos em uma grade ao longo do espaço. “Você pode imaginar isso como uma caixa de ovos, onde os locais individuais são, na verdade, onde você coloca os ovos. Mas em vez de ovos temos átomos e em vez de uma caixa temos a rede óptica”, explica Sandra Buob, primeira autora do artigo.
Os átomos no ovo interagiam entre si, às vezes experimentando tunelamento quântico para se moverem de um lugar para outro. Essa dinâmica quântica entre átomos imita a dos elétrons em certos materiais. Portanto, o estudo desses sistemas pode ajudar a compreender o comportamento complexo de determinados materiais, que é a ideia chave da simulação quântica.
Assim que o gás e a rede óptica ficaram prontos, os pesquisadores tiraram as imagens com seu microscópio e puderam finalmente observar o gás quântico de estrôncio, átomo por átomo. A essa altura, a construção do QUIONE já havia sido um sucesso, mas seus idealizadores queriam tirar ainda mais proveito.
Assim, além das fotos, eles gravaram vídeos dos átomos e puderam observar que, embora os átomos devessem permanecer imóveis durante a imagem, às vezes eles saltavam para um local próximo da rede. Isso pode ser explicado pelo fenômeno do tunelamento quântico. “Os átomos estavam “pulando” de um local para outro. Foi algo muito bonito de ver, pois estávamos literalmente testemunhando uma manifestação direta de seu comportamento quântico inerente”, compartilha Buob.
Finalmente, o grupo de investigação utilizou o seu microscópio de gás quântico para confirmar que o gás estrôncio era um superfluido, uma fase quântica da matéria que flui sem viscosidade. “De repente desligamos o laser da rede, para que os átomos pudessem se expandir no espaço e interferir uns nos outros. Isso gerou um padrão de interferência, devido à dualidade onda-partícula dos átomos no superfluido. Quando nosso equipamento capturou, verificamos a presença de superfluidez na amostra”, explica o Dr. Antonio Rubio-Abadal.
“É um momento muito emocionante para a simulação quântica”, compartilha Leticia Tarruell, professora do ICREA. “Agora que adicionamos o estrôncio à lista de microscópios de gás quântico disponíveis, em breve poderemos simular materiais mais complexos e exóticos. Espera-se então que surjam novas fases da matéria. E também esperamos obter muito mais poder computacional para usar essas máquinas como computadores quânticos analógicos.”
Referência: “A Strontium Quantum-Gas Microscope” por Sandra Buob, Jonatan Höschele, Vasiliy Makhalov, Antonio Rubio-Abadal e Leticia Tarruell, 18 de abril de 2024, PRX Quantum.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.020316
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