Com participação de um cientista brasileiro, um grupo das universidades da Califórnia (EUA) e Viena (Áustria) conseguiu pela primeira vez resfriar um objeto até seu estado fundamental usando raios laser.
O estado quântico fundamental, também conhecido como energia de ponto zero, é o estado de mais baixa energia que um objeto pode alcançar. Para isso, virtualmente todo o calor deve ser retirado do objeto.
Esse estado de "paralisia" quase total é essencial para o estudo de fenômenos na escala atômica.
Para resfriar o objeto abaixo dos 100 milikelvin (-273.15°C) os pesquisadores usaram raios laser. Até agora, isso só podia ser feito em armadilhas ópticas que aprisionam átomos de gás.
Brasileiros criam modelos teóricos para fenômenos quânticos
A possibilidade de fazer o mesmo em sistemas de estado sólido abre caminho para a construção de sensores extremamente sensíveis, assim como experimentos de mecânica quântica com que os físicos sonham há décadas, sobretudo para estudar como o mundo quântico se relaciona com o mundo macroscópico.
Sistema optomecânico
Oskar Painter e seus colegas construíram uma cavidade óptica nanométrica, uma pastilha de silício com furos perfeitamente espaçados e com uma pequena viga no centro.
"Essa geometria forma uma cavidade óptica onde apenas uma frequência (cor) de um laser pode ser confinada. Outra característica importante desse sistema é a habilidade de servir como um oscilador mecânico, e poder também aprisionar fónons - que são partículas associadas com oscilações mecânicas, assim como os fótons estão associados com as oscilações eletromagnéticas (luz)", explicou Thiago Alegre, professor da Unicamp e membro da equipe.
Segundo ele, ao escolher cuidadosamente a frequência do laser de excitação é possível extrair energia mecânica do objeto por meio da luz que sai da cavidade. Ou seja, ao extrair fónons, os pesquisadores resfriam o objeto, até que ele atinja seu estado fundamental, de mais baixa energia.
"Isso acontece porque a cavidade sempre prefere espalhar luz de uma certa frequência. Quando a diferença entre esta frequência natural da cavidade e a frequência do laser incidente é igual à frequência com que a oscilação mecânica ocorre, pode-se influenciar essa oscilação.
"Dessa forma, a equipe criou uma interface eficiente entre um sistema óptico e um sistema mecânico, onde pode fluir informação de um para outro. O sistema é tão eficiente que os pesquisadores foram capazes de congelar e medir as vibrações no nível de apenas um fónon," complementa.
Energia do ponto zero
Esta não é a primeira vez que se consegue resfriar um objeto nanomecânico até seu estado fundamental.
Este trabalho demonstra pela primeira vez que se pode atingir o estado fundamental usando luz visível, resfriando-se o objeto com a luz de um laser.
Em 2010, Aaron O'Connell e seus colegas foram os pioneiros, demonstrando que o mundo quântico se relaciona com o mundo macroscópico - eles fizeram isto usando uma técnica tradicional de resfriamento.
Há poucos meses, uma equipe NIST fez o mesmo, usando uma técnica também inovadora, baseada no resfriamento com radiação na faixa das micro-ondas.
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