Físicos levitaram uma nanosfera de vidro, empurrando-a para o reino da mecânica quântica: WebCuriosos

A mecânica quântica lida com o comportamento do Universo em escala superpequena: átomos e partículas subatômicas que operam de maneiras que a física clássica não consegue explicar.

Para explorar esta tensão entre o quântico e o clássico, os cientistas estão constantemente a tentar fazer com que objetos cada vez maiores se comportem de uma forma quântica.

Em 2021, uma equipe teve sucesso com uma minúscula nanoesfera de vidro com 100 nanômetros de diâmetro – cerca de mil vezes menor que a espessura de um fio de cabelo humano.

Para as nossas mentes isso é muito, muito pequeno, mas em termos de física quântica, é na verdade bastante enorme, composto por até 10 milhões de átomos.

Empurrar tal nanoesfera para o domínio da mecânica quântica foi uma grande conquista. Usando luzes laser cuidadosamente calibradas, a nanosfera foi suspensa em seu estado mecânico quântico mais baixo, um estado de movimento extremamente limitado onde o comportamento quântico pode começar a acontecer.

“Esta é a primeira vez que tal método foi usado para controlar o estado quântico de um objeto macroscópico no espaço livre,” disse Lucas Novotnyprofessor de fotônica da ETH Zurique, na Suíça, em julho de 2021.

Para alcançar estados quânticos, o movimento e a energia devem ser reduzidos. Novotny e seus colegas usaram um recipiente a vácuo resfriado a -269 graus Celsius (-452 graus Fahrenheit) antes de usar um sistema de feedback para fazer ajustes adicionais.

Utilizando os padrões de interferência gerados por dois feixes de laser, os pesquisadores calcularam a posição exata da nanoesfera dentro de sua câmara – e a partir daí os ajustes precisos necessários para aproximar o movimento do objeto de zero, utilizando o campo elétrico criado por dois eletrodos.

Não é tão diferente de desacelerar o balanço de um playground empurrando-o e puxando-o até chegar ao ponto de descanso. Uma vez atingido o estado mais baixo da mecânica quântica, novos experimentos podem começar.

“Para ver claramente os efeitos quânticos, a nanosfera precisa ser desacelerada… até o seu estado fundamental de movimento,” disse o engenheiro elétrico Felix Tebbenjohannsda ETH Zurique na época.

“Isso significa que congelamos a energia motriz da esfera a um mínimo próximo ao movimento do ponto zero da mecânica quântica.”

Embora resultados semelhantes tenham sido alcançados antes, eles usaram o que é conhecido como ressonador óptico para equilibrar objetos usando luz.

A abordagem usada aqui protege melhor a nanosfera contra perturbações e significa que o objeto pode ser visto isoladamente depois que o laser é desligado – embora isso exija muita pesquisa adicional para ser realizado.

Uma das maneiras pelas quais os pesquisadores esperam que suas descobertas possam ser úteis é estudar como a mecânica quântica faz com que as partículas elementares se comportem como ondas. É possível que configurações supersensíveis como esta da nanoesfera também possam ajudar no desenvolvimento de sensores de próxima geração, além de tudo o que temos hoje.

Conseguir levitar uma esfera tão grande em um ambiente criogênico representa um salto significativo em direção à escala macroscópica onde a linha entre o clássico e o quântico pode ser estudada.

“Juntamente com o facto de o potencial de captura óptica ser altamente controlável, a nossa plataforma experimental oferece um caminho para a investigação da mecânica quântica em escalas macroscópicas”, concluíram os investigadores no seu relatório. artigo publicado.

A pesquisa foi publicada em Natureza.

Uma versão deste artigo foi publicada pela primeira vez em julho de 2021.