Átomos de espelho são "congelados" e chegam perto do estado fundamental quântico

Átomos de espelho são "congelados" e chegam perto do estado fundamental quântico

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 18 de Junho de 2021 às 11h20
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Os objetos ao seu redor podem parecer parados, mas não se engane — suas partículas estão em constante movimento, saltando e vibrando cada uma em sua frequência, a menos que estejam em uma condição especial chamada estado fundamental do movimento. Nesse estado, é possível estudar as propriedades quânticas com relativa facilidade, e foi exatamente isso o que cientistas conseguiram fazer pela primeira vez com um objeto de 10 kg.

Em uma tentativa de investigar a gravidade no mundo quântico — a fronteira que permanece intacta separando a Relatividade Geral de Einstein da mecânica quântica —, uma equipe reduziu os movimentos coletivos dos quatro espelhos do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser, popularmente conhecido como LIGO. Antes disso, esse resultado só era obtido em nanoescala.

A pesquisa pode ser uma ótima notícia para os que desejam descobrir como a gravidade age em estados quânticos massivos. "Demonstramos como preparar objetos na escala de quilogramas em estados quânticos”, disse o engenheiro mecânico Vivishek Sudhir, do MIT. “Isso finalmente abre a porta para um estudo experimental de como a gravidade pode afetar grandes objetos quânticos, algo até então apenas sonhado".

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Alcançar o estado fundamental quântico de uma matéria é simples — na teoria. Na prática, é um desafio enorme de engenharia, pois é preciso resfriar os átomos do objeto aplicando a quantidade certa de força para interromper suas vibrações. É necessário reduzir o movimento atômico ao máximo, então você também terá que saber o nível exato de energia e a direção das vibrações dos átimos de seu objeto. Só assim, saberá a quantidade de força que deverá aplicar.

Esquema do LIGO (Imagem: Reprodução/Caltech/MIT)

Felizmente, o LIGO é um instrumento que facilita as coisas. Ele foi construído para detectar ondas gravitacionais que viajaram milhões, talvez bilhões de anos-luz no espaço, e são incrivelmente fracas. O LIGO é tão sensível ao movimento que é capaz de detectar ondulações dez mil vezes menor que o diâmetro de um próton. Ele faz isso mapeando os mínimos movimentos conjunto de quatro espelhos de 40 kg.

Então, os cientistas deduziram que, ao medir precisamente o movimento desse oscilador, chegariam à taxa de energia necessária das vibrações de seus átomos. Para isso, eles estudaram pacientemente as detecções de ondas gravitacionais que os espelhos realizaram durante o tempo de operação do LIGO, até descobrirem o menor movimento capaz de agitar o arranjo de espelhos. Com o resultado em mãos, aplicaram a força necessária para induzir os objetos ao estado fundamental usando eletroímãs.

A ideia deu certo e o oscilador parou de se mover quase por completo, chegando a uma temperatura de Sua energia restante era equivalente a uma temperatura de 77 nanokelvin, quase equivalente a -273,15 graus Celsius — o zero absoluto! Essa é uma façanha impressionante, embora seja apenas um meio para se chegar ao grande objetivo, que é tentar explicar porque não vemos objetos macroscópicos em estados quânticos. Alguns cientistas propuseram que pode ser devido aos efeitos da gravidade, que não é observada no mundo das partículas.

Para testar se essa explicação é verdadeira, é preciso “um objeto grande o suficiente para medir o efeito da gravidade sobre ele e levar esse objeto em um estado quântico”, disse Sudhir. O estudo também pode ser útil para chegar a outros estados da matéria, como estados quânticos excitados ou exóticos, em uma escala de massa na qual isso nunca foi feito antes.

Fonte: ScienceAlert

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