Eletrônica

Monopolos magnéticos quânticos são criados em laboratório

Monopolos magnéticos quânticos são criados em laboratório
Visão artística do monopolo de Dirac - a interpretação quântica de um ímã de um pólo só - criado no interior de um condensado de Bose-Einstein. [Imagem: Heikka Valja]

A discórdia de uma divisão

Divida um ímã em dois e você obterá dois ímãs inteiros, por mais que você repita a operação: parece ser impossível separar o "norte" do "sul" em um magneto.

De forma inversa, parece ser impossível juntar os físicos nessa questão.

As equações de Maxwell - que pertencem ao reino da mecânica clássica - afirmam que "cargas magnéticas" isoladas não existem, ou seja, que no magnetismo não há um análogo das cargas positivas e negativas da eletricidade.

A mecânica quântica pensa diferente. Já em 1931, Paul Dirac demonstrou matematicamente que pode existir uma "partícula magnética fundamental", ou monopolo magnético.

A busca por monopolos magnéticos tem sido intensa desde então.

Tudo pareceu chegar a bom termo em 2009, quando físicos afirmaram ter observado pela primeira vez um monopolo magnético. Um ano depois, o monopolo magnético foi observado a temperatura ambiente.

A coisa até começou a pender para o lado prático, quando monopolos magnéticos artificiais mostraram-se adequados para armazenar dados binários.

Mas não se iluda: experimentos desse tipo são muito mais complicados do que ler um resultado em uma balança ou medir alguma coisa com um metro. Os resultados obtidos precisam ser "interpretados", e nem todos os físicos concordam com as interpretações.

A turma da mecânica quântica afirma que esses experimentos observaram apenas fenômenos clássicos, e que os monopolos magnéticos são essencialmente quânticos. A turma da mecânica clássica contesta, é claro, e defende seus resultados, afirmando que apenas eles são capazes de momentos magnéticos "reais", ou seja, efeitos magnéticos mensuráveis, como em um ímã comum.

Monopolo magnético sintético

Tudo ficou um pouco mais complicado agora, quando uma equipe da Finlândia e dos EUA conseguiu criar um sistema quântico artificial que reproduz de maneira muito fiel a descrição matemática que Dirac fez dos seus monopolos magnéticos quânticos.

Dirac havia demonstrado que, quando um monopolo magnético cruza com uma "nuvem eletrônica" - a distribuição no espaço de um único elétron, conforme essa partícula é descrita pela mecânica quântica - cria-se um vórtice nessa nuvem, uma espécie de redemoinho que "perfura", mas não atravessa a nuvem.

A equipe do professor David Hall, da Universidade de Aalto, conseguiu finalmente criar um sistema desse tipo, um análogo, gerando esses redemoinhos em um gás quântico ultrafrio, um condensado de Bose-Einstein, formado por átomos de rubídio.

O condensado também é uma onda única de matéria, reproduzindo a nuvem do elétron-onda. Quando aplicaram um campo magnético externo a esse condensado, os pesquisadores conseguiram gerar o vórtice previsto por Dirac.

Ou seja, o que eles fizeram foi demonstrar que a matemática de Dirac está correta, sendo possível gerar um vórtice que pode ser interpretado como uma versão sintética de um monopolo magnético, em um resultado que é tipicamente quântico.

Fim da questão? Nem de longe.

Monopolos magnéticos quânticos são criados em laboratório
O efeito que o monopolo magnético teria sobre um elétron foi simulado em um condensado de Bose-Einstein. [Imagem: M. W. Ray et al./Nature]

Monopolo magnético e monopolo de Dirac

O problema é que esse monopolo artificial não gera um campo magnético "real", do tipo que possa ser detectado por uma bússola, por exemplo, algo que os experimentos classificados por eles mesmos de "resultados clássicos" conseguem.

Assim, o que o experimento detectou foi um "monopolo de Dirac", e não um "monopolo magnético real" - algo que os autores deste novo experimento reconhecem.

Além disso, não se avançou no sentido da detecção de um monopolo magnético natural, do tipo que possa ser observado na natureza, e não em uma condição análoga criada artificialmente em laboratório.

Ainda assim, o resultado é importante porque permitirá o estudo mais detalhado do que seriam os monopolos magnéticos na descrição quântica, eventualmente abrindo caminho para sua observação de fato e sem contestações.

"Essas imagens de um espaço real oferecem evidências experimentais conclusivas e longamente esperadas da existência dos monopolos de Dirac. Nossos resultados fornecem uma oportunidade sem precedentes para observar e manipular essas entidades quânticas em um ambiente controlado," afirma a equipe.

Bibliografia:

Observation of Dirac monopoles in a synthetic magnetic field
M. W. Ray, E. Ruokokoski, S. Kandel, M. Möttönen, D. S. Hall
Nature
Vol.: 505, 657-660
DOI: 10.1038/nature12954




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