Uma equipe de físicos na Holanda e Alemanha recentemente colocou diversos átomos de titânio em um microscópio de tunelamento. Esses átomos estavam em interação constante e silenciosa através da direção de seus spins. Então, com uma proeza, os pesquisadores conseguiram isolar um único par de átomos e disparar em um deles com uma corrente elétrica para alterar o direcionamento de seu spin. Depois, puderam medir a reação de seu parceiro.

Quando dois átomos têm spins interdependentes, eles são considerados quanticamente emaranhados. Esse emaranhamento significa que o comportamento de um átomo tem um impacto direto sobre o outro. A teoria diz que isso deve permanecer mesmo quando eles estão separados por grandes distâncias. Nesse caso, os átomos de titânio estavam separados por pouco mais de um nanômetro (um milionésimo de milímetro), próximos o suficiente para as duas partículas interagirem entre si, mas distantes o suficiente para que a interação pudesse ser detectada pelos instrumentos da equipe.

“A principal descoberta é que pudemos observar como os spins atômicos se comportam ao longo do tempo como resultado de sua interação mútua”, disse o coautor Sander Otte, físico quântico da Universidade de Tecnologia de Delft. Ele explicou que os cientistas já conseguiam medir a força de vários spins atômicos e a influência dela no nível de energia do átomo. Mas esse experimento permitiu que observassem essa interação ao longo do tempo.

Uma grande esperança da física experimental é que algum dia os pesquisadores sejam capazes de simular interações quânticas e foi isso que esse estudo fez, provocando uma ação específica em um átomo e observando como o seu “vizinho” reagia. “Esta é uma demonstração muito boa de um ‘simulador quântico’ muito simples”, disse Ella Lachman, uma física quântica da UC Berkeley que não estava envolvida no novo estudo. “Ao controlar as posições dos átomos, podemos teoricamente construir uma réplica de uma rede ou de qualquer sistema que desejamos estudar a dinâmica.”

O experimento funcionou assim: os átomos de titânio foram ligados a uma superfície de óxido de magnésio, mantendo-os no lugar para inspeção. Presos a essa superfície, que foi mantida em quase vácuo a apenas 1 grau Kelvin, eles poderiam ser individualmente selecionados pelos físicos sob a ponta do microscópio. Os cientistas poderiam, então, reverter os spins de cada um com um pulso elétrico, provocando uma reação imediata no átomo ao lado. Essas reações são previsíveis, disse Otte, por meio das leis da mecânica quântica. (Se você disser “toc toc”, pode ter certeza de que a próxima partícula responderá “Quem está aí?”). O processo inteiro levou cerca de 15 nanossegundos, ou 15 bilionésimos de segundo. A pesquisa foi publicada hoje na revista científica Science.

O microscópio usado no experimento recente da equipe.

Embora essa detecção tenha mapeado a interação de spins entre dois átomos, a situação se torna muito mais complexa com cada átomo adicionado à equação. “Esses modelos são legais, mas quando adicionamos a eles a complexidade na qual estamos realmente interessados, as questões de medidas e interpretações se tornam mais complicadas”, disse Lachman. “Eles podem fazer o mesmo experimento com três átomos enquanto medem apenas um? Provavelmente sim, mas a interpretação da medição fica mais complicada. Que tal dez átomos? Vinte? O tempo e a engenhosidade dirão se esta é uma demonstração experimental legal de um modelo de brinquedo ou algo mais profundo. O potencial está aí.”

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Otte também enfatizou os desafios de ir além de um simples sistema de dois átomos. “Se aumentarmos para 20 spins, meu laptop não poderá mais calcular o que acontece. Com 50 spins, os melhores supercomputadores do mundo desistem e assim por diante”, disse. “Se quisermos entender precisamente como ocorre o comportamento complexo de certos materiais, teríamos que ‘construir’ materiais do zero e ver como as leis da física atuam ao aumentar de 10 para 100 a 1 mil átomos.”