Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

Durante quase um século, os cientistas têm usado um teste simples para entender como os materiais lembram seu passado. Ao aplicar um campo magnético a um pedaço de ferro e, em seguida, revertê-lo lentamente, eles observam um atraso: o material não inverte sua direção magnética imediatamente quando a força externa muda. Em vez disso, ele resiste, mantendo sua orientação original até que a força oposta se torne forte o suficiente para quebrar seu aperto. Este fenômeno, conhecido como histerese, é a razão pela qual os ímãs podem armazenar dados e por que certos materiais atuam como dispositivos de memória. No mundo clássico da física cotidiana, esse comportamento é bem compreendido e baseia-se na existência de regiões magnéticas estáveis que resistem à mudança. No entanto, uma regra fundamental da física clássica afirma que, em uma linha unidimensional de átomos magnéticos, tal resistência deveria ser impossível. Sem a dimensão extra para criar estruturas complexas e estáveis, essas linhas deveriam inverter instantaneamente e perfeitamente com o campo aplicado, não exibindo memória alguma.

Isso cria uma situação intrigante para a física moderna. Pesquisadores começaram recentemente a usar computadores quânticos poderosos, especificamente dispositivos projetados para resolver problemas complexos de otimização, para simular materiais magnéticos. Essas máquinas operam a temperaturas próximas ao zero absoluto e utilizam as estranhas regras da mecânica quântica, onde as partículas podem existir em múltiplos estados simultaneamente e tunelar através de barreiras. Como esses sistemas quânticos são projetados para escapar de estados travados e encontrar a melhor solução rapidamente, esperava-se que eles eliminassem os próprios efeitos de memória que causam a histerese. No entanto, quando os cientistas realizaram experimentos nessas máquinas, descobriram o oposto. Mesmo em linhas unidimensionais de milhares de bits quânticos, o sistema recusou-se a inverter instantaneamente. Ele exibiu uma resistência obstinada, uma clara memória de seu estado anterior e um atraso que desafia as expectativas clássicas. Esta descoberta sugere que a mecânica quântica, em vez de apagar a memória, pode criar tipos inteiramente novos dela.

Em um novo estudo, uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos estabeleceu o objetivo de compreender esse comportamento surpreendente. Eles utilizaram três gerações diferentes de recozedores quânticos (quantum annealers) da D-Wave, que são computadores especializados contendo milhares de qubits supercondutores. Os pesquisadores programaram essas máquinas para agir como anéis longos de spins magnéticos, alguns contendo até 4.906 unidades individuais. Em seguida, aplicaram um campo magnético que mudava de direção lentamente, mimetizando o teste clássico de histerese. Os resultados foram impressionantes. Mesmo nos anéis unidimensionais, onde a física clássica prevê nenhuma resistência, o sistema quântico mostrou uma "coercividade" distinta, uma medida de quão difícil é inverter a magnetização. O sistema não apenas inverteu; ele hesitou, criando um laço nos dados que provou que estava lembrando de sua orientação anterior. Esta memória persistiu mesmo em regimes onde a teoria clássica diz que ela deveria ser proibida.

Para explicar como isso acontece, a equipe desenvolveu uma nova estrutura teórica que combina duas formas diferentes de observar o problema. Eles perceberam que o sistema se comporta como um híbrido de uma máquina quântica e uma clássica. Do lado quântico, o sistema sofre saltos rápidos e discretos entre estados de energia, semelhantes a uma partícula tunelando através de uma parede. Do lado clássico, uma vez que esses saltos ocorrem, o sistema se comporta como uma coleção de fronteiras móveis, ou "paredes de domínio", que separam regiões de diferentes alinhamentos magnéticos. Os pesquisadores descobriram que o efeito de memória surge da interação entre esses dois processos. Os saltos quânticos criam estados excitados que não são a configuração de menor energia, e o movimento das paredes de domínio determina a rapidez com que o sistema pode relaxar de volta a um estado estável. Como o sistema fica preso nesses estados excitados por um tempo, ele não consegue inverter instantaneamente, criando o atraso observado.

O estudo confirmou que este comportamento não é apenas um erro de hardware, mas um fenômeno físico genuíno. Os pesquisadores observaram assinaturas específicas que apenas um sistema quântico poderia produzir, como uma resposta negativa temporária ao campo magnético e reversões não monotônicas, onde a magnetização inverte para frente e para trás em um padrão complexo antes de se estabilizar. Essas características foram reproduzidas em suas simulações computacionais, que utilizaram um método que alterna entre calcular transições quânticas exatas e modelar o movimento de fronteiras magnéticas. As simulações corresponderam aos dados experimentais dos recozedores quânticos quase perfeitamente, capturando a forma dos laços de histerese e a maneira como o efeito de memória mudava conforme a velocidade da varredura do campo era alterada.

Uma das descobertas mais significativas é que esta memória quântica é distinta da memória térmica vista em materiais comuns. Em um ímã padrão, o calor ajuda o material a inverter. Nestes experimentos quânticos, a memória persiste mesmo quando o sistema está frio o suficiente para que as flutuações térmicas sejam negligenciáveis. Em vez disso, a memória é impulsionada pela competição entre a velocidade com que o campo magnético é alterado e os intervalos de energia naturais entre os estados quânticos. Se o campo for alterado muito rapidamente, o sistema não consegue acompanhar e fica preso em um estado de alta energia. Se for alterado lentamente, o sistema tem tempo para relaxar. Os pesquisadores descobriram que, ao ajustar a força das forças quânticas e a velocidade da varredura, eles podiam controlar o tamanho do efeito de memória, encolhendo ou expandindo o laço de histerese à vontade.

A equipe também explorou como o tamanho do sistema afeta esse comportamento. Eles testaram anéis variando de apenas quatro qubits a quase cinco mil. Nos sistemas menores, os efeitos quânticos eram mais pronunciados, mas o efeito de memória permaneceu robusto mesmo nos maiores anéis. Isso sugere que o fenômeno não é uma anomalia de pequena escala, mas uma propriedade fundamental de como os sistemas quânticos evoluem quando levados para fora do equilíbrio. Os pesquisadores observaram que, em grades bidimensionais, o comportamento era diferente, com ordenamento magnético mais forte e campos maiores necessários para inverter os spins, consistente com o que se sabe sobre ímãs clássicos. No entanto, os anéis unidimensionais permaneceram os mais surpreendentes, pois exibiram um nível de resistência que a física clássica diz que não deveria existir.

Este trabalho estabelece os recozedores quânticos como ferramentas poderosas para estudar a dinâmica fora do equilíbrio, um campo que lida com como os sistemas se comportam quando estão sendo pressionados e puxados, em vez de estarem em um estado calmo. Ao demonstrar que essas máquinas podem exibir memória programável, os pesquisadores abriram um novo caminho para explorar como os sistemas quânticos processam informações e retêm história. A capacidade de observar e controlar esses efeitos em um dispositivo programável significa que os cientistas agora podem testar teorias sobre memória quântica e transições de fase de uma maneira que era anteriormente impossível. O estudo não afirma ter resolvido todos os mistérios do magnetismo quântico, mas fornece uma imagem clara e experimentalmente verificada de como a memória pode emergir da dança caótica das transições quânticas e do movimento das paredes de domínio.

As implicações destas descobertas estendem-se além das máquinas específicas utilizadas no experimento. O modelo híbrido desenvolvido pelos pesquisadores, que mistura cálculos quânticos com descrições clássicas de fronteiras móveis, oferece uma nova maneira de simular materiais magnéticos complexos. Esta abordagem pode ajudar cientistas a projetar melhores dispositivos de armazenamento magnético ou compreender o comportamento de materiais exóticos que não se encaixam em categorias padrão. Mais importante ainda, destaca que os computadores quânticos não são apenas calculadoras mais rápidas; eles são laboratórios únicos onde as leis fundamentais da física podem ser testadas e manipuladas. A observação de histerese em um sistema quântico unidimensional serve como um lembrete de que a natureza frequentemente guarda surpresas que desafiam nossas suposições mais básicas, e que a fronteira entre os mundos quântico e clássico é muito mais porosa do que se pensava anteriormente.

Os pesquisadores concluíram que a memória observada nestes experimentos é um efeito quântico genuíno, resultante da forma específica como o sistema transita entre estados e relaxa. Eles descartaram a possibilidade de que os resultados fossem simplesmente devidos ao calor ou ruído clássico, pois o comportamento persistiu sob condições onde esses fatores deveriam ser negligenciáveis. Em vez disso, a memória é um resultado direto da incapacidade do sistema de se adaptar instantaneamente ao campo magnético variável, um atraso criado pelo tempo finito que as transições quânticas levam para ocorrer e para que as paredes de domínio magnético resultantes se rearranjem. Este trabalho fornece um exemplo concreto de como a mecânica quântica pode dar origem a comportamentos coletivos que mimetizam, e em alguns casos excedem, as capacidades de materiais clássicos. Sugere que, ao compreender e aproveitar esses efeitos de memória quântica, poderemos desenvolver novos tipos de tecnologias de computação e sensoriamento que operam sobre princípios que estamos apenas começando a compreender.