Alice no País da Quântica: cientistas criam os nêutrons “Gatos de Cheshire”

O Gato de Cheshire de "Alice no País das Maravilhas" pode se separar do próprio sorriso. Crédito: ©Disney
O Gato de Cheshire de “Alice no País das Maravilhas” pode se separar do próprio sorriso. Crédito: ©Disney




O Gato de Cheshire (ou Gato Que Ri), personagem popularizado por Lewis Carrol no clássico livro “Alice no País das Maravilhas”, possui uma característica marcante: seu sorriso pode ficar visível mesmo quando seu corpo desaparece. De forma análoga, um novo experimento logrou separar um nêutron (neutrão) de uma de suas características, o magnetismo, criando os nêutrons “Gatos de Cheshire”.

A descoberta do Gato de Cheshire quântico confirma a hipótese desenvolvida pelo físico Yakir Aharonov e inicialmente publicada por Jeff Tollaksen, em 2010. Os resultados do experimento, publicados no periódico Nature Communications, podem levar ao desenvolvimento de técnicas de medição de alta precisão, menos sensíveis a perturbações externas.

“Eu já vi muitos gatos sem sorriso, mas um sorriso sem gato!”

Sobre as escalas atômica e subatômica reina a Mecânica Quântica, campo da física que se difere bastante da Mecânica Clássica. Para a física quântica é possível, por exemplo, que uma partícula ocupe dois ou mais lugares e tenha dois estados físicos distintos — e até opostos — ao mesmo tempo, propriedade à qual se dá o nome de sobreposição.

Graças ao fenômeno da sobreposição quântica é possível dividir um feixe de nêutrons em dois feixes sem que as partículas decidam seguir um ou outro caminho; na realidade, elas percorrem ambos os caminhos simultaneamente. Foi exatamente essa a característica que uma equipe internacional de cientistas utilizou em um experimento no Instituto Laue-Langevin (ILL) em Grenoble, na França.

A equipe disparou um feixe de nêutrons em um aparelho conhecido como interferômetro de nêutrons. Lá, um cristal dividiu o feixe inicial nos feixes superior e inferior, nos quais a propriedade da sobreposição garantiu que os mesmos nêutrons viajassem em ambos os feixes simultaneamente.

Os nêutrons, normalmente encontrados no núcleo atômico, são eletricamente neutros, como o próprio nome sugere. Contudo, os quarks, partículas que compõem os nêutrons, portam, sim, cargas elétricas que se cancelam e lhes conferem a neutralidade. Dessa forma, os nêutrons possuem magnetismo — denominado giro ou spin magnético — e, portanto, podem ser influenciados por campos magnéticos. O magnetismo faz com que os objetos se alinhem de acordo com o campo magnético, tal como a agulha de uma bússola determina o norte magnético em função do campo magnético da Terra.

No experimento, o cristal divisor de feixes levou os nêutrons alinhados paralelamente à direção em que seguiam a se agruparem no feixe superior, enquanto os nêutrons que se alinharam no sentido oposto ao do seu movimento seguiram pelo feixe inferior.

Configurado para detectar apenas os nêutrons paralelamente alinhados à direção do movimento, o interferômetro deveria captar apenas as partículas do feixe superior. Então, os pesquisadores puseram um filtro de absorção de nêutrons na trajetória do feixe inferior e, conforme o esperado, a quantidade de nêutrons detectada pelo instrumento de análise não mudou.

Em seguida, o filtro foi retirado, mas o feixe inferior passou a sofrer a ação de um campo magnético, o que diminuiu a quantidade de nêutrons detectada, como se as partículas estivessem sendo desviadas do detector. Em outras palavras, enquanto os nêutrons percorreram o caminho do feixe superior, seu magnetismo percorreu o do inferior.

Assim como o Gato de Cheshire pode se dissociar do próprio sorriso, os nêutrons do experimento viajaram por um feixe, enquanto seu magnetismo viajou por outro. Ilustração: Universidade Técnica de Viena; Leon Filter
Assim como o Gato de Cheshire pode se dissociar do próprio sorriso, os nêutrons do experimento viajaram por um feixe, enquanto seu magnetismo viajou por outro. Ilustração: Universidade Técnica de Viena; Leon Filter

Tobias Denkmayr, coautor do estudo e físico da Universidade Técnica de Viena, na Áustria, explica que[a]o longo de um dos caminhos, as próprias partículas se acoplam ao nosso instrumento de medição, mas apenas o outro caminho é sensível ao acoplamento do giro magnético. O sistema se comporta como se as partículas estivessem espacialmente separadas de suas propriedades“.

O trabalho de Denkmayr e seus colegas pode ser aplicado à mensuração de alta precisão de sistemas nos quais a característica que se deseja estudar é facilmente perturbada por outra. “Você pode simplesmente separar a propriedade que quer medir da propriedade causadora da perturbação”, afirma Denkmayr. Isso é particularmente importante em sistemas quânticos, nos quais a tentativa de mensuração de uma propriedade pode interromper a superposição (e.g., quando se tenta medir o giro de um elétron/eletrão que gira em duas direções ao mesmo tempo, vê-se o elétron girando apenas em uma direção ou na outra).

Transpor a barreira imposta pelo colapso da sobreposição quântica leva à descoberta de objetos como o nêutron Gato de Cheshire. Denkmayr ainda ressalta que os gatos de Cheshire também podem ser observados em outras partículas — elétrons, prótons/protões, fótons/fotões, etc. — através, por exemplo, da separação entre um elétron e sua carga.

“Bem! Eu já vi muitos gatos sem sorriso, mas um sorriso sem gato! É a coisa mais curiosa que já vi na minha vida!”, ponderou Alice. Acostume-se, Alice, pois, ao que parece, a ciência renova a ficção.

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é graduado em Ciências Econômicas pela Universidade Estadual Paulista (Unesp) e trabalha como consultor financeiro na Valore Brasil - Controladoria de Resultados. Atualmente, cursa o MBA em Controladoria e Finanças na Universidade de São Paulo (USP). Entusiasta da razão e da ciência, fundou o espaço de divulgação científica Make It Clear Brasil, em 2013.

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