A pesquisa foi publicada recentemente na Physical Review Letters.

Efeito Unruh

O efeito Fulling-Davies-Unruh, ou simplesmente efeito Unruh, é uma previsão teórica impressionante na profunda interseção entre a Teoria da Relatividade de Albert Einstein e a Teoria Quântica. “Na teoria quântica, mesmo o vácuo agita-se com pequenas flutuações de energia, onde partículas e antipartículas aparecem e desaparecem brevemente. Notavelmente, o efeito Unruh mostra como esses ‘ondulações de vácuo’ são percebidas dependendo do movimento do observador. Um observador em repouso não vê nada, mas um observador em aceleração percepciona essas flutuações como partículas reais com uma distribuição de energia térmica — um ‘calor quântico'”, disse Noriyuki Hatakenaka, professor emérito da Universidade de Hiroshima.

Esse resultado contra-intuitivo enfatiza a conexão importante entre esses dois pilares da física moderna. Se os cientistas conseguissem verificar experimentalmente o efeito Unruh, isso não apenas fecharia a lacuna entre a relatividade geral e a mecânica quântica, mas também forneceria profundas percepções sobre a natureza do espaço-tempo. Contudo, a verificação experimental do efeito Unruh tem sido um desafio de longa data e significativo na física fundamental.

“O problema central tem sido as acelerações extraordinariamente grandes — na ordem de 10²⁰ m/s² — necessárias para tornar esse efeito detectável, tornando sua observação praticamente impossível com a tecnologia atual, pelo menos em sistemas de aceleração linear,” disse Haruna Katayama, professor assistente da Universidade de Hiroshima.

Nova Abordagem

Os pesquisadores da Universidade de Hiroshima propuseram uma abordagem promissora para observar o efeito Unruh. “Nosso trabalho tem como objetivo superar esse obstáculo fundamental ao propor um método experimental novo e viável. Utilizamos o movimento circular de pares de fluxons-antifluxons metastáveis dentro de junções Josephson anulares acopladas,” disse Hatakenaka. Avanços na microfabricação supercondutora permitem a criação de circuitos com raios extremamente pequenos, possibilitando acelerações efetivas imensas e produzindo uma temperatura Unruh de alguns kelvins — alta o suficiente para ser experimentalmente detectável com a tecnologia atual.

“Propusemos um método realista, altamente sensível e inequívoco para detectar o evasivo efeito Unruh. Nosso sistema proposto oferece um caminho claro para observar experimentalmente esse ‘calor fantasma’ de aceleração pela primeira vez,” disse Katayama. Em seu arranjo inovador, o “calor quântico” induzido pela aceleração circular causa flutuações que acionam a divisão dos pares de fluxons-antifluxons metastáveis. Crucialmente, esse evento de divisão se manifesta como um salto de tensão macroscópico claro através do circuito supercondutor. Esse salto de tensão serve como um sinal indiscutível e facilmente mensurável, fornecendo uma assinatura direta e robusta da presença do efeito Unruh. Ao analisar estatisticamente a distribuição desses saltos de tensão, os pesquisadores podem medir precisamente a temperatura Unruh com alta precisão.

Ainda Mais Surpreendente

“Um dos aspectos mais surpreendentes é que flutuações quânticas microscópicas podem induzir saltos de tensão macroscópicos repentinos, tornando o evasivo efeito Unruh diretamente observável. Ainda mais impressionante, a distribuição de comutação muda exclusivamente com a aceleração enquanto todos os outros parâmetros permanecem fixos — uma clara impressão estatística do próprio efeito Unruh,” disse Hatakenaka.

Olhando para o futuro, Katayama afirmou, “Nosso próximo passo imediato é conduzir uma análise detalhada dos processos de decadência dos pares de fluxons-antifluxons. Isso inclui investigar minuciosamente o papel do tunelamento quântico macroscópico, um fenômeno quântico onde partículas podem atravessar barreiras de potencial, o que não foi explorado extensivamente neste trabalho inicial. Compreender esses mecanismos de decadência intrincados será crucial para refinar a detecção experimental do efeito Unruh.”

O objetivo final desta pesquisa é multifacetado. Além da detecção imediata, eles buscam investigar potenciais conexões entre esse fenômeno e outros campos quânticos acoplados ao seu detector. “Ao aprofundar nossa compreensão desses novos fenômenos quânticos, esperamos contribuir significativamente para a busca por uma teoria unificada de todas as leis físicas,” disse Hatakenaka.

Os pesquisadores observam que as capacidades de detecção altamente sensíveis e de amplo alcance desenvolvidas nesta pesquisa possuem imenso potencial para abrir caminhos para futuras aplicações, particularmente no campo de tecnologias avançadas de sensoriamento quântico. “Aspiramos que este trabalho abra novas avenidas na física fundamental e inspire uma exploração mais profunda da verdadeira natureza do espaço-tempo e da realidade quântica,” disse Katayama.

A equipe de pesquisa inclui Noriyuki Hatakenaka, professor emérito da Escola de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia Avançadas da Universidade de Hiroshima, e Haruna Katayama, professor assistente da mesma instituição.

Este trabalho foi apoiado por subsídios do JSPS KAKENHI e pelo Programa HIRAKU-Global, financiado pelo “Programa de Desenvolvimento Profissional Estratégico para Jovens Pesquisadores” do MEXT.