Notícias

Físicos conseguiram resfriar objeto macroscópico até que ele ficasse próximo de seu estado quântico

Experimento que usou espelhos de 40kg de observatório abre caminho para estudos pioneiros envolvendo as estranhas propriedades quânticas e a gravidade
LIGO

O resfriamento do objeto foi obtido através de operações nos espelhos do Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO), que aparece na imagem acima. Créditos: MIT

Para o olho humano, a maioria dos objetos parece estar sempre completamente em repouso. No entanto, se fosse possível dispormos de uma lente quântica, que nos permitisse  enxergar na escala de átomos individuais, poderíamos ver uma maçã parada em nossa mesa, como uma coleção abundante de partículas vibrantes em movimento. Nas últimas décadas, os físicos têm encontrado formas  de resfriar objetos de modo que seus átomos fiquem quase parados ou em seu “estado fundamental de movimento”. Até o momento, estes estudos têm se limitado a nanométricos, verdadeiras  nuvens formadas por milhões de átomos.

Agora, porém, pela primeira vez, os cientistas conseguiram resfriar um objeto grande, em escala macroscópica,  para perto de seu estado fundamental de movimento. Não se trata de algo tangível, no sentido de estar situado em um local só: na verdade, é o movimento combinado de quatro objetos separados. O “objeto” resfriado tem uma massa estimada de cerca de 10 Kg e compreende cerca de 1 octilhão de átomos.

++ LEIA MAIS

Computador quântico de fótons atinge marca importante

Cientistas criam inédita rede de criptografia quântica entre duas cidades chinesas a 500 km de distância

Os pesquisadores aproveitaram a capacidade do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) em medir o movimento das massas com extrema precisão e resfriá-las até  77 nanokelvins, valor próximo do estado fundamental previsto do objeto, que é  de 10 nanokelvins.

Conforme mostram as conclusões divulgadas na Science, este é o maior objeto a ser resfriado próximo ao seu estado fundamental de movimento. Para os cientistas responsáveis pelo experimento, tais resultados favorecem o desenvolvimento de outros estudos futuramente.

“Ninguém jamais observou como a gravidade age sobre  estados quânticos com dimensões maiores”, disse Vivishek Sudhir, professora assistente de engenharia mecânica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), que dirigiu o projeto. “Demonstramos como colocar objetos na escala de quilogramas em estados quânticos. Isso finalmente abre a porta para um estudo experimental de como a gravidade pode afetar grandes objetos quânticos, algo até então apenas sonhado.”

Além de Sudhir, também participaram do trabalho: Chris Whittle, autor principal do estudo, o pós-doutorando Evan Hall, a cientista pesquisadora Sheila Dwyer e Nergis Mavalvala, professora de astrofísica e diretora da Escola de Ciências do MIT.

Resfriamento por feedback para chegar o estado fundamental de movimento

Como resultado das inúmeras reações de seus átomos, uns com os outros e também com influências externas, todos os objetos incorporam algum tipo de movimento. Isso se reflete em suas temperaturas. Quando um objeto é resfriado próximo à temperatura zero, ele ainda tem um movimento quântico residual, denominado “estado fundamental do movimento”.

Ao parar um objeto em seu caminho, é preciso exercer sobre ele uma força igual e oposta. Se os cientistas podem medir com precisão a magnitude e a direção dos movimentos de um átomo, eles podem aplicar forças contrárias para diminuir sua temperatura – uma técnica conhecida como resfriamento por feedback .

Os físicos aplicaram resfriamento por feedback através de vários meios, incluindo luz laser, com o objetivo de trazer átomos individuais e objetos ultraleves para seus estados fundamentais quânticos. Além disso, eles tentaram resfriar objetos progressivamente maiores, para estudar efeitos quânticos em sistemas maiores e tradicionalmente clássicos.

“O fato de que algo possui temperatura é um reflexo da ideia de que ele interage com as coisas ao seu redor”, disse Sudhir. “E é mais difícil isolar objetos maiores de tudo o que acontece ao seu redor.”

++ LEIA MAIS

Cientistas criam estados quânticos em dispositivos eletrônicos comuns

Nova interpretação da mecânica quântica reforça ideia de que a realidade independe do observador

Para resfriar os átomos de um objeto grande até próximo ao estado fundamental, seria necessário primeiro medir seu movimento com extrema precisão, de modo a saber o grau de retrocesso necessário para interromper esse movimento. Poucos instrumentos no mundo podem atingir tal precisão. Mas o LIGO, por acaso, pode.

O observatório de detecção de ondas gravitacionais compreende interferômetros gêmeos em locais separados dos EUA. Cada interferômetro possui dois longos túneis conectados em forma de L, se estendendo por 4 km em cada direção. Na extremidade de cada túnel há um pesado espelho suspenso por fibras finas. Ele oscila como um pêndulo em resposta a qualquer perturbação, como uma onda gravitacional que se aproxima. Um laser na conexão dos túneis é dividido e enviado por cada segmento, depois refletido de volta à sua fonte. O tempo dos lasers de retorno informa aos cientistas precisamente quanto cada espelho se moveu, com uma precisão de 1 / 10.000 da largura de um próton.

Sudhir e seus colegas se perguntaram sobre a possibilidade de usar a precisão de medição do LIGO para dois propósitos. O equipamento primeiro mediria o movimento de objetos grandes em escala humana. Em seguida, deveria aplicar uma força contrária, oposta ao valor calculado, para trazer os objetos ao seu estado fundamental.

Ação reversa da medição

Porém, o objeto que eles visavam resfriar não era um espelho, e sim o movimento combinado de todos os quatro espelhos do LIGO.

“O LIGO foi projetado para medir o movimento articular de quatro espelhos de 40 Kg”, explicou Sudhir. “Acontece que você pode mapear o movimento conjunto dessas massas matematicamente e pensar nelas como o movimento de um único objeto de 10 quilogramas.”

Segundo Sudhir, o próprio ato de medir pode afetar aleatoriamente o espelho e colocá-lo em movimento – um efeito quântico chamado “ação reversa da medição”. Conforme os fótons individuais de um laser refletem em um espelho, a fim de reunir informações sobre seu movimento, o momento do fóton empurra de volta o espelho. Dessa maneira, Sudhir e seus colegas perceberam que, se os espelhos forem medidos continuamente, como no LIGO, o recuo aleatório dos fótons anteriores pode ser observado nas informações transportadas pelos fótons posteriores.

Contando, com um registro completo das perturbações quânticas e clássicas do espelho, os pesquisadores aplicaram uma força igual e oposta com eletroímãs presos na parte de trás de cada um. O efeito quase paralisou o movimento coletivo, deixando os espelhos com tão pouca energia que não se moveram mais que uma distância equivalente a 1m dividido por 10 elevado a menos vinte. Essa distância é menos que um milésimo do tamanho de um próton.

A equipe, então, equiparou a energia restante do objeto, ou movimento, com a temperatura, e descobriu que o objeto estava situado a 77 nanoquelvin. Este valor é muito próximo de seu estado fundamental de movimento, de 10 nanokelvin.

“Preparar algo no estado fundamental é muitas vezes o primeiro passo para colocá-lo em estados quânticos excitantes ou exóticos”, disse Whittle. “Portanto, este trabalho é empolgante porque pode nos permitir estudar alguns desses outros estados, a uma escala inédita.”

Publicado em 24/06/2021

Utilizamos cookies essenciais para proporcionar uma melhor experiência. Ao continuar navegando, você concorda com a nossa Política de privacidade.

Política de privacidade