Nanotecnologia

Nós quânticos são reais. E impossíveis de desatar

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/01/2016

Visualização da estrutura do nó quântico. Cada faixa colorida representa um conjunto de direções no campo que está atado. Observe que cada faixa é torcida e ligada com as outras uma única vez. Desatar o nó exige que as faixas sejam separadas, o que não é possível fazer sem quebrá-las.[Imagem: David Hall]

Nó impossível de desatar

Existem mesmo nós no mundo quântico - e eles são impossíveis de desatar.

É a primeira vez que os físicos conseguem observar a existência de nós naquilo que eles chamam de "matéria quântica", que já vinha sendo usada para fabricarcristais quânticos, cristais indecisos e até fractais quânticos.

Mas ninguém havia conseguido dar nós nessa matéria quântica, formada por átomos, naturais ou artificiais, em temperaturas próximas do zero absoluto, que permitem a observação de efeitos quânticos em escala macroscópica.

Em essência, toda matéria é quântica, mas, no caso desta classe de experimentos, o termo geralmente refere-se ao estado de átomos de rubídio ultrafrios formando um condensado de Bose-Einstein.

Os nós foram dados em sólitons, ou ondas solitárias, gerados no condensado e já explorados em experimentos que vão da construção de cristais de pura luz a testes da dilatação do tempo prevista por Einstein.

Nó quântico

Diferentemente dos nós em uma corda, os nós quânticos existem em um campo que assume uma determinada direção em cada ponto do espaço. O campo se decompõe em um infinito número de anéis interligados, cada um com sua própria direção no campo.

"Expusemos o condensado de rubídio a rápidas mudanças de um campo magnético especificamente adaptado, amarrando cada nó em menos de um milésimo de segundo. Depois que aprendemos a amarrar o primeiro nó quântico, ficamos bons nisso - já amarramos várias centenas desses nós," contou o professor David Hall, da Universidade Amherst, nos EUA.

A estrutura resultante - o nó quântico - é topologicamente estável, uma vez que ele não pode ser desamarrado sem quebrar o anel. Em outras palavras, não se pode desatar o nó quântico, a menos que se destrua o próprio estado que caracteriza a matéria quântica.

A estrutura teórica do nó quântico, na linha superior, e o resultado experimental, na linha inferior. [Imagem: David Hall et al. - 10.1038/nphys3624]

Cosmologia e computação quântica

A demonstração poderá ter implicações em uma ampla variedade de domínios, muito além da compreensão teórica do comportamento da matéria quântica e dos sólitons.

"Agora que vimos esses bichos exóticos, estamos realmente animados para estudar suas propriedades muito peculiares. É importante ressaltar que nossa descoberta se conecta a um diversificado conjunto de áreas de pesquisas, incluindo a cosmologia, energia de fusão nuclear e os computadores quânticos," disse o professor Mikko Mottonen, da Universidade Aalto, na Finlândia, coordenador da equipe, que também foi pioneira na criação de monopolos magnéticos.

Fibração de Hopf

O professor Mottonen explica que, matematicamente falando, o nó quântico criado por sua equipe realiza na prática um mapeamento conhecido como fibração de Hopf, descoberto por Heinz Hopf em 1931.

Hopf elaborou uma função contínua - um mapa - que associa cada ponto de uma esfera comum a uma hiperesfera - ou 3-esfera, que preenche um espaço quadridimensional.

Cada ponto da esfera comum transforma-se em um círculo distinto da 3-esfera, ou seja, esta é composta por "fibras", onde cada "fibra" é um círculo que corresponde a cada ponto da esfera comum - daí o nome de fibrado de Hopf, ou fibração de Hopf. São as mesmas fibras vistas acima na ilustração do nó quântico.

Bibliografia:

Tying Quantum Knots
D. S. Hall, M. W. Ray, K. Tiurev, E. Ruokokoski, A. H. Gheorghe, M. Mottonen
Nature Physics
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphys3624