Cientistas conseguem observar movimento quântico pela primeira vez

Por , em 1.09.2015

Pense no pêndulo de um relógio. Se você esquecer de dar corda, eventualmente o pêndulo ficará em repouso, imóvel. No entanto, esta simples observação é válida somente no nível da física clássica – as leis e princípios que parecem explicar a física de objetos relativamente grandes em escala humana.

No entanto, na mecânica quântica, as regras físicas subjacentes que governam o comportamento fundamental da matéria e da luz em escala atômica, nada pode estar completamente em repouso.

Pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores e colaboradores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos, encontrou uma maneira de observar – e controlar – este movimento quântico de um objeto que é grande o suficiente para ver. Seus resultados foram publicados na edição online da revista “Science”.

Os pesquisadores sabem há anos que, na física clássica, objetos físicos podem estar imóveis. Solte uma bola em uma tigela, e ela vai rolar para trás e para frente algumas vezes. Eventualmente, no entanto, este movimento será superado por outras forças (como a gravidade e a fricção) e a bola vai ficar parada no fundo da tigela.

“Nos últimos dois anos, a minha equipe e algumas outras equipes ao redor do mundo aprenderam a esfriar o movimento de um objeto pequeno de escala micrométrica para produzir este estado fundamental quântico”, diz Keith Schwab, professor de física e física aplicada da Caltech, que liderou o estudo, ao portal Phys.org. “Mas sabemos que, mesmo no estado fundamental quântico, a temperatura zero, flutuações de amplitude muito pequenas – ou ruídos – permanecem”.

Vibração e baixas temperaturas

Como este movimento quântico, ou ruído, é teoricamente uma parte intrínseca do movimento de todos os objetos, Schwab e seus colegas projetaram um dispositivo que lhes permite observar esse ruído e, em seguida, manipulá-lo.

O dispositivo em escala micrométrica consiste numa placa de alumínio flexível, que fica sobre um substrato de silício. A placa é acoplada a um circuito elétrico supercondutor à medida que vibra a uma taxa de 3,5 milhões de vezes por segundo. De acordo com as leis da mecânica clássica, as estruturas vibratórias, eventualmente, chegam a um descanso completo se resfriadas até o estado fundamental.

Mas não é isso que Schwab e seus colegas observaram quando realmente esfriaram a mola até o estado fundamental em seus experimentos. Em vez disso, a energia residual – ruído quântico – permaneceu.

“Essa energia é parte da descrição do quantum da natureza – você simplesmente não pode tirá-la”, diz Schwab. “Todos nós sabemos que a mecânica quântica explica precisamente por que os elétrons se comportam estranhamente. Aqui, estamos aplicando física quântica para algo que é relativamente grande, um dispositivo que você pode ver ao microscópio óptico, e estamos vendo os efeitos quânticos em um trilhão átomos em vez de apenas um”.

Precisão nas medições

Como este movimento de quantum ruidoso está sempre presente e não pode ser removido, ele impõe um limite fundamental de como se pode medir com precisão a posição de um objeto.

Mas esse limite, Schwab e seus colegas descobriram, não é insuperável. Os coautores Aashish Clerk, da Universidade McGill, e Florian Marquardt, do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, propuseram um novo método para controlar esse ruído quântico, esperando que ele fosse reduzido periodicamente. Esta técnica foi, então, implementada em um dispositivo mecânico de microescala no laboratório de baixa temperatura de Schwab na Caltech.

“Há duas variáveis ​​principais que descrevem o ruído ou movimento”, explica Schwab. “Nós mostramos que podemos realmente tornar as flutuações de uma das variáveis ​​menores – à custa de aumentar as flutuações quânticas da outra variável. Isso é o chamado estado quântico espremido; nós esprememos o ruído em um lugar, mas, por causa da compressão, o ruído tem que sair em outros lugares. Porém, desde que estes lugares mais ruidosos não sejam o lugar no qual você está fazendo uma medição, isso não importa”.

A capacidade de controlar o ruído quântico poderia um dia ser usada para melhorar a precisão das medições muito sensíveis, como as obtidas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (Ligo, do inglês Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory), um projeto liderado pela Caltech e pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) à procura de sinais de ondas gravitacionais – ondulações no tecido do espaço-tempo.

“Temos pensado muito sobre usar esses métodos para detectar ondas gravitacionais de pulsares – estrelas incrivelmente densas que têm a massa de nosso sol comprimida em um raio de 10 km e com rotação de 10 a 100 vezes por segundo”, explica Schwab. De acordo com artigos da década de 1970, estes pulsares deveriam estar emitindo ondas gravitacionais que são quase perfeitamente periódicas.

Para fazer isso, o dispositivo atual teria de ser aumentado. “Nosso trabalho tem como objetivo detectar a mecânica quântica em escalas cada vez maiores, e um dia, a nossa esperança é que isso acabará tocando em algo tão grande como as ondas gravitacionais”, conclui o pesquisador. [Phys.org]

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4 comentários

  • Cicero Lopes Neto:

    Realizando o experimento com a luz, o ruído desapareceria.

  • Tengineering:

    Por acaso, nos deixaria mais próximos da computação quântica?

  • Tengineering:

    E o que, exatamente, isso significa na prática?

    • Marcelo Ribeiro:

      Que uma coisa FANTÁSTICA aconteceu.

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