Cientistas observam vibração quântica em temperatura ambiente e ao ar livre

Por , em 7.10.2019

As cordas de um violão, quando tocadas, vibram como outros objetos nessa situação. A vibração aumenta e diminui como ondas, de acordo com o previsto pelas leis da física clássica. Mas as leis da mecânica quântica, que descrevem o funcionamento da física em escala atômica, apresentam um resultado diferente. De acordo com ela, as vibrações deveriam se comportar como ondas e também como partículas. Isso quer dizer que, se observadas a nível quântico, a corda do violão deveria vibrar como unidades individuais de energia conhecidas como fônons.

Até agora, fônons só haviam sido observados individualmente em temperaturas extremamente baixas e em materiais microscópicos projetados com precisão, que os pesquisadores devem investigar no vácuo. No entanto, cientistas do MIT e do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça criaram e observaram um fônon em um pedaço de diamante em temperatura ambiente e com circulação de ar.

A técnica desenvolvida pela equipe pode ser usada para testar outros materiais quanto a vibração quântica. Isso pode ajudar os pesquisadores a caracterizarem o processo atômico em células solares, assim como identificar porque certos materiais são supercondutores em altas temperaturas. Da perspectiva da engenharia, essa técnica pode ser utilizada para identificar materiais comuns que transportam fônons, estes podem ser ideais para interconexão, ou linhas de conexão entre computadores quânticos do futuro.

Procedimentos adotados pela equipe

Nos diamantes, os fônons atuam, naturalmente, em alta frequência, de dezenas de terahertz. Ela é tão alta que, em temperatura ambiente, a energia de um único fóton é maior do que da energia térmica circundante. Esse fator é relevante uma vez que os fônons são extremamente suscetíveis à energia térmica maior que a deles. Uma característica essencial dos fônons é terem baixa energia, assim a exposição a energias térmicas mais altas pode fazer com que os fônons de um material se excitem em massa, o que torna a detecção de um único fônon extremamente difícil.

Para o experimento, os pesquisadores buscaram excitar apenas um fônon em um diamante, que é um cristal composto de átomos de carbono. Para isso eles enviaram, ao diamante, pulsos de laser de alta frequência (100 milhões de fótons cada um).

Assim, havia a possibilidade de quem um deles fosse interagir e refletir em um fônon.  Depois, a equipe poderia medir a diminuição da frequência do fóton envolvido na colisão. Essa seria a confirmação de que ele havia atingido um fônon. No entanto, essa operação não poderia discernir se um ou mais fônons foram excitados pelo processo.

Para identificar quantos fônons foram envolvidos a equipe de pesquisadores enviou um segundo pulso de laser, conforme a energia dos fônons diminuía gradualmente. Esse segundo pulso pode retirar a excitação de cada fônon afetado pelo primeiro pulso, na forma de um novo fóton com mais energia. Se somente um fônon tivesse sido excitado, apenas um novo fóton deveria ser criado. [MIT]

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