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O campo da física quântica está repleto de caminhos que levam a novas áreas de estudo tentadoras, mas uma toca de coelho oferece um ponto de vista único num mundo onde as partículas se comportam de forma diferente – através do proverbial espelho.
Apelidado de ‘anel de Alice’ em homenagem às histórias mundialmente famosas de Lewis Carroll sobre As Aventuras de Alice no País das Maravilhas, a aparência deste objeto confirma uma teoria de décadas sobre como os monopolos decaem. Especificamente, eles decaem em um vórtice em forma de anel, onde quaisquer outros monopolos que passam por seu centro são invertidos em suas cargas magnéticas opostas.
Publicado em Comunicações da Natureza em 29 de agosto, essas descobertas marcam a última descoberta em uma série de trabalhos que abrangem as carreiras colaborativas do professor Mikko Möttönen da Aalto University e do professor David Hall do Amherst College.
“Esta foi a primeira vez que a nossa colaboração conseguiu criar anéis de Alice na natureza, o que foi uma conquista monumental”, disse Möttönen.
“Esta pesquisa fundamental abre novas portas para a compreensão de como essas estruturas e seus análogos na física de partículas funcionam no universo”, acrescentou Hall.
O relacionamento de longa data, intitulado Colaboração Monopole, inicialmente provou a existência de um análogo quântico do monopolo magnético em 2014, isolou monopolos quânticos em 2015 e, eventualmente, observou um decaimento no outro em 2017.
Os monopolos continuam sendo um conceito indescritível na arena da física quântica. Como o nome sugere, os monopolos são a contrapartida solitária dos dipolos, que carregam uma carga positiva no pólo norte e uma carga negativa no sul. Em contraste, um monopolo carrega apenas uma carga positiva ou negativa.
Embora o conceito pareça simples, concretizar um verdadeiro monopolo provou ser uma tarefa que define a carreira. Veja como a Colaboração Monopole fez isso: eles manipularam um gás de átomos de rubídio preparado em um estado não magnético próximo à temperatura do zero absoluto. Sob estas condições extremas, eles foram então capazes de criar um monopolo direcionando um ponto zero de um campo magnético tridimensional para o gás quântico.
Estabelecendo bases teóricas
Esses monopolos quânticos são efêmeros por natureza, decaindo alguns milissegundos após sua criação. É nesta instabilidade que o anel de Alice toma forma.
“Pense no monopolo como um ovo oscilando no topo de uma colina”, disse Möttönen. ‘A menor perturbação pode desabar. Da mesma forma, os monopolos estão sujeitos a ruídos que desencadeiam a sua decadência em anéis Alice.’
Embora os monopolos tenham vida curta, o grupo de pesquisa simulou anéis Alice estáveis por até 84 milissegundos – mais de 20 vezes mais que a vida útil do monopolo. Isso leva os pesquisadores a estarem otimistas de que experimentos futuros revelarão propriedades ainda mais peculiares dos anéis de Alice.
“À distância, o anel de Alice parece um monopolo, mas o mundo assume uma forma diferente quando olhamos através do centro do anel”, disse Hall.
“É nesta perspectiva que tudo parece espelhado, como se o anel fosse uma porta de entrada para um mundo de antimatéria em vez de matéria”, acrescentou Möttönen.
Em teoria, um monopolo passando pelo centro de um anel de Alice seria transformado em um antimonopolo de carga oposta. Da mesma forma, a carga do anel de Alice também mudaria. Embora este fenómeno ainda não tenha sido observado experimentalmente, Möttönen disse que a estrutura topológica dos anéis de Alice necessita deste comportamento.
O trabalho experimental foi conduzido no Amherst College principalmente pela doutoranda Alina Blinova e Hall, enquanto Möttönen e sua equipe foram responsáveis por executar simulações correspondentes. Desta forma, as duas equipes conseguiram confirmar a interpretação das observações experimentais.
“É simplesmente incrível ter uma descoberta tão importante como o final do meu trabalho de doutoramento”, disse Blinova.
As simulações realizadas na Universidade Aalto foram possíveis graças ao apoio do CSC – IT Center for Science e do Research Council of Finland através do seu Centro de Excelência em Tecnologia Quântica, e os experimentos nos EUA pelo apoio financeiro da National Science Foundation. .
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