Termômetro quântico ultrapreciso vai medir temperaturas do espaço-tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/10/2022

O efeito Unruh prevê o que você veria se sua nave acelerasse até a velocidade da luz.
[Imagem: Christine Daniloff/MIT]

Relação entre aceleração e temperatura

Einstein previu que a velocidade com que você percebe o tempo passar depende da velocidade com que você está viajando: Uma pessoa se movendo muito rápido envelhece mais lentamente do que alguém parado.

Esse é um dos aspectos mais conhecidos da Teoria da Relatividade Geral, que diz que o espaço e o tempo funcionam em conjunto, como um tecido que pode flexionar e se deformar.

Acontece que essa mesma matemática associando o tempo e a velocidade se aplica à temperatura e à aceleração: Diferentes observadores, movendo-se em diferentes acelerações, vão perceber diferenças nas temperaturas, ainda que diminutas.

"Em 1976, o físico canadense William Unruh combinou o trabalho de Einstein com a outra teoria fundamental da física moderna, a mecânica quântica, e previu que o tecido do espaço-tempo tem uma temperatura muito baixa," explica o professor James Quach, da Universidade de Adelaide, na Austrália.

O chamado "efeito Unruh" prevê que, se você voar por um vácuo quântico com extrema aceleração, o vácuo não se parecerá com um vácuo; em vez disso, ele se tornará um banho cheio de partículas com as quais você irá trombando, o que gera calor, tornando sua viagem uma experiência bem quente.

"Curiosamente, essa temperatura muda dependendo da velocidade com que você está se movendo. Para ver essa mudança de temperatura, você teria que se mover extremamente rápido: Para ver uma mudança de temperatura de um grau, você teria que se mover próximo à velocidade da luz. Até agora, essas velocidades extremas impediram os pesquisadores de verificar a teoria de Unruh," acrescentou Quach.

O entrelaçamento quântico poderá ocorrer entre as cunhas Rindler ou entre os cones de luz. Para um observador em um desses quadrantes (por exemplo, o futuro), rastrear os modos não observados (por exemplo, no passado) leva a um análogo do efeito Unruh, similar ao tempo.
[Imagens: Esquerda: Wikipedia/AcidZero - Direita: James Q. Quach et al. - 10.1103/PhysRevLett.129.160401]

Entrelaçamento entre passado e futuro

Agora, o professor Quach e colegas da Austrália e do Japão idealizaram um "termômetro quântico", um termômetro capaz de medir as temperaturas ultrafrias do espaço e do tempo, que deverá permitir pela primeira vez testar esse fenômeno.

"O efeito Unruh pode surgir não apenas do entrelaçamento entre os modos das cunhas de Rindler esquerda e direita, mas também entre os modos de cones de luz futuros e passados. Exploramos a fase geométrica resultante desse entrelaçamento temporal entre o futuro e o passado, mostrando que ela pode ser capturada em um sistema Λ simples," escreveu a equipe.

Um sistema Λ (lâmbda), ou sistema de Dynkin, é uma aproximação resumida de um problema mais complexo. Já um cone de luz, visto na imagem acima, é uma diagramação tridimensional de uma coordenada quadridimensional, já que é muito difícil representar graficamente um fenômeno quadridimensional, como são os fenômenos ligados às teorias do espaço-tempo.

Bem diferente dos antigos tubos de vidro com mercúrio, o aparato idealizado pela equipe - que agora terá quer ser construído pelos seus colegas experimentalistas - usa a mesma tecnologia usada para construir os computadores quânticos, o que coloca o projeto bem próximo da realização prática.

"Em teoria, um termômetro quântico não precisa acelerar fisicamente, em vez disso, ele usa um campo magnético para acelerar a lacuna de energia interna do dispositivo," explica o professor Quach. "O termômetro quântico pode ser construído com a tecnologia atual."

Termometria hipersensível

O termômetro quântico também poderá ser usado para medir temperaturas ultrafrias com uma precisão que os termômetros convencionais não conseguem, além de ajudar a avaliar as interações entre a relatividade e a mecânica quântica - a equipe estima que o aparato poderá detectar uma temperatura de Unruh de 0,6 Kelvin.

"O sistema Λ descrito aqui é também um quadro geral para a detecção de temperaturas ultrabaixas. Em vez de dimensionar a lacuna de energia para provocar uma resposta térmica do vácuo, a fase geométrica de um sistema Λ independente do tempo pode detectar temperaturas ambiente, oferecendo uma nova plataforma para termometria hipersensível," concluiu a equipe.

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