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Quando diferentes estados quânticos se combinam, novos estados coletivos da matéria podem emergir. No reino quântico, a combinação de componentes como átomos que possuem efeitos quânticos pode dar origem a estados quânticos macroscópicos da matéria, apresentando excitações quânticas exóticas que não existem em nenhum outro lugar.
Em uma colaboração entre a Universidade Aalto e o Instituto de Física CAS, pesquisadores construíram um material quântico artificial, átomo por átomo, de titânio magnético sobre um substrato de óxido de magnésio. Eles então projetaram cuidadosamente como os átomos interagiam dentro do material com o objetivo de dar à luz um novo estado de matéria quântica. Jose Lado, professor assistente na Universidade Aalto, criou o design teórico para projetar o material com magnetismo quântico topológico, e um grupo liderado pelo professor associado Kai Yang no Instituto de Física CAS construiu e mediu o material artificial usando manipulação atômica com microscopia de tunelamento de varredura.
Como resultado, os pesquisadores demonstraram pela primeira vez um novo estado quântico da matéria conhecido como magneto quântico topológico de ordem superior. O magneto topológico pode representar uma nova maneira de alcançar proteção substancial contra decoerência na tecnologia quântica.
A pesquisa foi publicada hoje em Natureza Nanotecnologia
Além de ser interessante do ponto de vista da ciência fundamental, a matéria quântica topológica de muitos corpos, como esse novo ímã quântico, pode ter um impacto inovador em futuras tecnologias quânticas.
‘Criar um ímã quântico topológico de muitos corpos torna possível explorar uma nova direção empolgante na física. Excitações em ímãs quânticos topológicos têm propriedades muito diferentes daquelas encontradas em ímãs convencionais e podem nos permitir criar novos fenômenos físicos que estão além das capacidades dos materiais quânticos atuais’, diz Lado.
Ímãs quânticos são materiais que realizam uma superposição quântica de estados magnéticos, trazendo fenômenos quânticos da escala microscópica para a macroscópica. Esses materiais apresentam excitações quânticas exóticas — incluindo excitações fracionárias onde os elétrons se comportam como se estivessem divididos em muitas partes — que não existem em nenhum lugar fora desse material.
Para manipular como os átomos se comportavam dentro do material quântico que os pesquisadores tinham montado, eles cutucaram cada átomo individual com uma pequena agulha. Essa técnica permite a sondagem precisa de qubits no nível atômico. A agulha, na realidade uma ponta de metal atomicamente afiada, serviu para excitar o momento magnético local dos átomos, o que resultou em excitações topológicas com coerência aprimorada.
‘Excitações quânticas topológicas, como aquelas realizadas no ímã quântico topológico que agora construímos, podem apresentar proteção substancial contra decoerência. Em última análise, a proteção oferecida por essas excitações exóticas pode nos ajudar a superar alguns dos desafios mais urgentes dos qubits disponíveis atualmente’, diz Lado.
Em seu experimento, os pesquisadores observaram que as excitações topológicas eram resistentes a perturbações, uma característica que também foi prevista no design teórico de Lado. Os resultados também mostraram que a coerência quântica das excitações topológicas era maior do que seus componentes individuais originais. Essa descoberta pode apontar para uma maneira de transformar o material quântico artificial dos pesquisadores em um bloco de construção para informações quânticas que é protegido da decoerência.
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