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Nuvem quântica simula monopolo magnético

Átomos frios fornecem evidências para teoria de Paul Dirac

Dirac, P. A. M. Proc. R. Soc. Lond. A 133, 60-72 (1931)
Um condensado de átomos frios pode servir de modelo para um monopolo magnético, em que o campo magnético parte de um polo isolado – exceto em uma direção, onde não existe campo.
Por Elizabeth Gibney e Revista Nature

Físicos criaram e fotografaram um polo norte isolado – um monopolo – em um campo magnético simulado, realizando na prática um experimento mental que previu a existência de monopolos magnéticos reais pela primeira vez há mais de 80 anos.

Na natureza, polos magnéticos norte e sul sempre andam juntos. Cortar um imã ao meio simplesmente cria dois imãs, cada um com dois polos; os imãs cortados não se transformam em polos norte e sul isolados. Mas seus primos eletrostáticos, as cargas positivas e negativas, existem de maneira independente. Em 1931, o físico britânico Paul Dirac teorizou que se monopolos magnéticos de fato existissem, eles não serviriam simplesmente para resolver esse aparente desequilíbrio, mas também explicariam porque as cargas existem em pacotes discretos: múltiplos da carga de um único elétron.

Pesquisadores de fato sugeriram que o Big Bang deve ter forjado monopolos magnéticos como partículas elementares, mas até agora ninguém detectou ou criou uma dessas partículas em laboratório. Com um artigo publicado em 29 de janeiro na Nature, uma equipe conduzida por David Hall, do Amherst College em Massachusetts, recriou o monopolo de Dirac ao simular um deles dentro de uma nuvem de átomos super frios de rubídio.

A equipe de Hall seguiu uma ideia levantada pelos pesquisadores Ville Pietilä e Mikko Möttönen, atualmente na Universidade Aalto, da Finlândia, para simular como um elétron se comportaria nas proximidades de um monopolo magnético usando um gás com aproximadamente um milhão de átomos de rubídio, resfriado a menos de 100 bilionésimos de grau acima do zero absoluto. Nesse ponto, os átomos começam a perder suas identidades individuais e se tornam parte de um estado quântico da matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein, ou BEC.

Visão do Vórtice

Se comparado à ideia de Dirac, o condensado no experimento de Hall e seus colegas representa o elétron isolado, e a densidade de átomos em cada ponto corresponde à probabilidade de o elétron existir naquela região do espaço, explica o cientista. Cada um dos átomos do condensado possui um spin magnético, o equivalente quântico de uma minúscula agulha de bússola, que responde a campos magnéticos aplicados pelo lado de fora. No experimento, porém, esses spins não fazem o papel de campo magnético ao redor do monopolo; em vez disso, o campo é representado por uma propriedade da maneira com que os spins ficam organizados, chamada de vorticidade.

Para criar o padrão do monopolo, os pesquisadores manipularam os spins para que eles criassem um ‘vórtice’ – na prática, um redemoinho – dentro do BEC, com o monopolo no fim. A equipe fez imagens do padrão de redemoinho e fez cortes nelas. “Nós vemos o redemoinho como uma fina linha escura, uma ausência de material como acontece quando a água desce pelo ralo”, compara Hall.

O polo norte que a equipe criou não é magnético da maneira convencional: uma agulha de bússola não apontaria para ele. "As equações que governam nosso monopolo sintético e as que governam o monopolo magnético natural são essencialmente as mesmas”, observa Hall. O trabalho poderia ser visto como exemplo de um campo de pesquisa em expansão, chamado de “simulação quântica”, que usa um sistema quântico para modelar outro, mais difícil de estudar.

Muitos monopolos

Essa não é a primeira vez que pesquisadores criam análogos de monopolos. Em 2009, físicos observaram monopolos magnéticos em um material cristalino chamado de gelo de spin que, quando resfriado quase ao zero absoluto, parece ficar cheio de monopolos clássicos, do tamanho de átomos. E esses são magnéticos em um sentido real, mas não podem ser estudados individualmente. De acordo com Tin-Lun Ho, físico da Ohio State University, em Columbus, análogos semelhantes também já foram vistos em outros materiais, como em hélio superfluído, mas as observações foram menos diretas que nesse experimento.

Möttönen, um dos coautores do último artigo, declara que o monopolo no novo estudo está mais próximo da realidade porque sua estrutura é idêntica à do monopolo magnético de Dirac. Nem todos os físicos concordam. “De certa forma, esse está mais próximo de um monopolo real, mas de certa forma está mais distante”, comenta Arttu Rajantie, físico teórico do Imperial College London.

Steven Bramwell, físico do University College London e pioneiro de trabalhos com monopolos em gelos de spin, declara que o experimento é impressionante, mas que o que foi observado não é um monopolo de Dirac da maneira que muitas pessoas podem entendê-lo. “Existe uma analogia matemática aqui, simples e maravilhosa. Mas esses não são monopolos magnéticos”, declara Bramwell. “Precisamos dar um salto mental – uma espécie de pensamento lateral – para vê-los como monopolos magnéticos”, adiciona ele.

Dirac deu uma declaração famosa, dizendo que ficaria “surpreso” se a natureza não tivesse usado uma ideia tão elegante quanto os monopolos magnéticos. Físicos ainda estão procurando monopolos naturais, inclusive em rochas e amostras lunares, e em experimentos com aceleradores de partículas. Monopolos simulados fornecem uma base mais forte para essas buscas, aponta Möttönen. “Alguém poderia perguntar se a estrutura prevista por Dirac realmente é possível. Agora nós vimos que ela é possível, e essa é mais uma razão para que existam monopolos magnéticos como partículas fundamentais”.

Esse artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 29 de janeiro de 2014.