Espreitamento de magnons no regime quântico

Ouvindo os ímãs mais silenciosos

Cientistas estão constantemente empurrando os limites do que pode ser medido, de fracos ondulações no espaço-tempo a sussurros da matéria escura. Para isso, precisam domar os tremores quânticos aleatórios que normalmente borram qualquer sinal minúsculo. Este artigo mostra como acalmar esses tremores em um novo tipo de sistema formado por trilhões de pequenos momentos magnéticos atuando em conjunto. Ao moldar suas flutuações em uma forma especial “espremida”, os pesquisadores abrem um caminho para detectores ultra-sensíveis e novos testes de onde a física quântica termina e a experiência cotidiana começa.

Muitas spins agindo como uma só

Em certos cristais, os momentos magnéticos de incontáveis átomos podem mover-se em conjunto, comportando-se como um único objeto vibrante. Essas ondulações coletivas da magnetização são chamadas de magnons. A equipe trabalhou com uma esfera de um material conhecido como granada de ferro de ítrio, com apenas um milímetro de diâmetro, mas contendo aproximadamente dez bilhões de bilhões de spins. Nessa esfera, a vibração mais simples — onde todos os spins precessam em uníssono — age como um oscilador quântico muito limpo e de longa duração. Por isso, tais esferas são candidatas atraentes para construir dispositivos quânticos que façam a ponte entre circuitos microscópicos e objetos macroscópicos quase tangíveis.

Ensinar um ímã a sentir o espremimento quântico

Espremimento quântico significa reduzir a incerteza em uma propriedade de um sistema enquanto se permite incerteza extra em uma complementar, muito parecido com transformar um círculo de posições e momentos possíveis em uma elipse fina. Para a luz, isso já melhorou observatórios de ondas gravitacionais. Mas realizar o mesmo truque em magnons dentro de um sólido grande tem sido difícil, porque as interações naturais que poderiam remodelar seu ruído quântico são extremamente fracas. Os autores resolvem isso colocando a esfera magnética e um minúsculo circuito supercondutor, chamado qubit transmon, dentro de uma cavidade de micro-ondas compartilhada resfriada a cerca de alguns centésimos de kelvin acima do zero absoluto. A cavidade permite que o qubit e o modo de magnon influenciem-se fortemente sem trocar continuamente energia real, criando uma interação não linear efetiva que pode esculpir o estado quântico do magnon.

Modelando e observando o ruído quântico

Ao ajustar cuidadosamente a frequência do qubit usando um drive de micro-ondas controlado, os pesquisadores engenheiram uma auto-interação no modo de magnon conhecida como não linearidade de Kerr. Ao mesmo tempo, eles dirigem os magnons de forma suave para que não permaneçam em seu estado fundamental natural. Sob essa ação combinada, o estado quântico dos magnons gradualmente se cisalha em um abstrato “espaço de fase”, evoluindo de uma mancha redonda para uma forma distorcida e espremida. Para ver essa transformação invisível, a equipe desenvolve um processo Raman assistido por magnon: uma interação em dois passos que troca informação entre os magnons e o qubit de forma controlável. Usando o qubit como sonda, eles reconstruem um retrato completo do estado do magnon, conhecido como sua função de Wigner, em diferentes tempos de evolução.

Provando que é realmente quântico

Os retratos reconstruídos revelam as assinaturas características do espremimento: uma quadratura do movimento do magnon mostra flutuações reduzidas em comparação com o “vácuo” quântico, enquanto a quadratura ortogonal apresenta mais ruído. Quantitativamente, a redução de ruído atinge cerca de 1 decibel abaixo do nível do vácuo. Crucialmente, ao longo do experimento o número médio de magnons permanece abaixo de um, o que significa que o efeito não é uma vibração grande e clássica, mas uma verdadeira remodelação de flutuações quânticas minúsculas. A equipe também acompanha como esse estado frágil decai. Quando a interação engenheirada é desligada, o padrão espremido relaxa de volta a uma forma redonda e não espremida em uma escala de tempo de cerca de 145 bilionésimos de segundo. Quando a interação permanece ligada, ela contrabalança parcialmente esse decaimento, mantendo o espremimento visível por mais do que o dobro do tempo.

Uma nova ferramenta para detecção ultra-precisa

Este trabalho demonstra que mesmo um objeto sólido contendo um número enorme de spins pode ser conduzido a um estado quântico delicadamente espremido e mantido por tempo suficiente para ser útil. Ao aumentar a força do acoplamento e aprimorar ainda mais o material magnético, espremimentos mais fortes e tempos de vida maiores devem ficar ao alcance. Essas melhorias podem se traduzir diretamente em sensores quânticos mais precisos para ondas gravitacionais, áxions de matéria escura e outros fenômenos elusivos, ao mesmo tempo em que oferecem um novo palco para explorar como o comportamento quântico sobrevive — ou falha — em escalas macroscópicas.

Citação: Weng, YC., Xu, D., Chen, Z. et al. Magnon squeezing in the quantum regime. Nat Commun 17, 2679 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69312-4

Palavras-chave: espremimento quântico, magnônica, granada de ferro de ítrio, sistemas quânticos híbridos, metrologia quântica