Estudo propõe abordagem generalizada para interações luz-matéria

Um estudo coordenado pela Universidade de Trento com a Universidade de Chicago propõe uma abordagem generalizada para as interações entre elétrons e luz. No futuro, pode contribuir para o desenvolvimento de tecnologias quânticas, bem como para a descoberta de novos estados da matéria. O estudo é publicado em Cartas de revisão física

Entender a interação entre partículas quânticas é crucial na descoberta de novas moléculas ou materiais que podem ser usados ​​para novas aplicações tecnológicas ou médicas. Por exemplo, quando moléculas ou compostos químicos interagem com a luz, suas propriedades físicas podem mudar substancialmente.

Tendo isso em mente, o novo campo da química polaritônica visa desencadear novas reações químicas usando a luz como catalisador. Mais genericamente, controlar as interações luz-matéria fornece uma maneira de manipular e sintetizar nova matéria quântica.

O trabalho de pesquisa, como sempre, progride fazendo hipóteses que devem ser verificadas. Mas quando o objeto de estudo é um sistema quântico envolvendo uma multidão de elementos diferentes, ou seja, elétrons, fótons, fônons, a situação pode ser ainda mais complicada. É difícil calcular com precisão a função de onda de tal sistema, ou seja, uma função que contém as informações físicas relevantes para fazer previsões precisas sobre o comportamento de muitas partículas quânticas de mais de um tipo.

Um grupo de pesquisadores da Universidade de Chicago, coordenado por Carlos Leonardo Benavides-Riveros, pesquisador do Departamento de Física da Universidade de Trento, e David A. Mazziotti, da Universidade de Chicago, fez uma contribuição a este tópico.

Eles começaram com um “ansatz”, uma prescrição teórica, que pode ajudá-los a prever as interações entre as partículas em um sistema quântico de muitos corpos em um computador quântico. Então, eles generalizaram esse ansatz para tratar sistemas que contêm mais de um tipo de partícula quântica, por exemplo, sistemas que contêm não apenas elétrons, mas também fótons e/ou fônons.

Para demonstrar, os pesquisadores simularam um algoritmo quântico universal em um computador quântico IBM, com erro teórico zero.

E essa é a novidade deste estudo: os pesquisadores desenvolveram uma abordagem única que pode ser usada para gerar prescrições exponenciais (ansatzes) para sistemas quânticos de muitos corpos com mais de um tipo de partícula que, quando implementadas em dispositivos quânticos, produzem funções de onda exatas.

Segundo os físicos, essa solução também abre novas perspectivas no estudo dos estados da matéria.

“Sistemas quânticos como moléculas ou sólidos, como os encontramos na natureza, nunca contêm apenas elétrons. Muitas propriedades fascinantes podem ser criadas ou suprimidas quando a luz interage com elas”, explica Benavides-Riveros.

“O que fizemos”, ele continua, “foi introduzir outras partículas quânticas além dos elétrons, como partículas de luz, comumente conhecidas como fótons. E seguindo nossa formulação universal do problema, podemos entender a estrutura de sua função de onda e, portanto, suas propriedades físicas.”

“Como o ansatz é particularmente adequado para computadores quânticos, o avanço abre novas possibilidades para o uso de computadores quânticos para modelar problemas moleculares importantes na interação luz-matéria, como ocorrem na química polaritônica”, diz Mazziotti.