Os cientistas comprimiram duas camadas de átomos magnéticos ultrafrios a uma distância de 50 nanômetros uma da outra – 10 vezes mais próximas do que em experimentos anteriores – revelando efeitos quânticos bizarros nunca vistos antes.
A extrema proximidade desses átomos permitirá aos pesquisadores estudar interações quânticas nesta escala de comprimento pela primeira vez e poderá levar a avanços importantes no desenvolvimento de supercondutores e computadores quânticosrelataram os cientistas em um novo estudo publicado em 2 de maio na revista Ciência.
Comportamentos quânticos incomuns começam a surgir em temperaturas ultrafrias, à medida que os átomos são forçados a ocupar seu estado de energia mais baixo possível. “No regime de nanokelvin, existe um tipo de matéria chamada Condensado de Bose Einstein [in which] todas as partículas se comportam como ondas”, Li Du, físico do MIT e principal autor do estudo, disse ao Live Science. “Eles são basicamente mecânica quântica objetos.”
As interações entre esses sistemas isolados são particularmente importantes para a compreensão de fenômenos quânticos como supercondutividade e superradiância. Mas a força destas interações depende normalmente da distância de separação, o que pode criar problemas práticos para os investigadores que estudam estes efeitos; seus experimentos são limitados pelo quão perto eles conseguem chegar dos átomos.
“A maioria dos átomos usados em experimentos frios, como os metais alcalinos, precisam ter contato para interagir”, disse Du. “Estamos interessados em átomos de disprósio que são especiais [in that they] podem interagir uns com os outros a longo alcance através de interações dipolo-dipolo [weak attractive forces between partial charges on adjacent atoms]. Mas embora exista esta interação de longo alcance, ainda existem alguns tipos de fenómenos quânticos que não podem ser realizados porque esta interação dipolo é muito fraca.”
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Trazendo frio átomos em estreita proximidade enquanto mantêm o controle de seus estados quânticos é um desafio significativo e, até agora, as limitações experimentais impediram os pesquisadores de testar completamente as previsões teóricas sobre os efeitos dessas interações quânticas.
“Em experimentos comuns, capturamos átomos com luz, e isso é limitado pelo limite de difração – na ordem de 500 nanômetros”, disse Du. (Para efeito de comparação, um cabelo humano mede entre 80.000 e 100.000 nanômetros de largura, de acordo com o Iniciativa Nacional de Nanotecnologia.)
Usando um feixe de laser focado através de uma lente, os pesquisadores podem criar um “ponto focal gaussiano”, que é como um poço de energia dentro do feixe de laser que retém átomos específicos em posição. Isso é conhecido como pinça óptica, mas o tamanho da pinça (a largura do poço de energia) é limitado pelo comprimento de onda da luz laser. Essa largura mínima é chamada de limite de difração.
A equipe de Du descobriu um truque inteligente para superar esse limite de difração, usando outra propriedade quântica dos átomos de disprósio: seu spin. O spin atômico pode apontar para cima ou para baixo – mas o mais importante é que eles têm energias ligeiramente diferentes. Isso significa que a equipe poderia usar dois feixes de laser diferentes em frequências e ângulos de polarização ligeiramente diferentes para capturar separadamente o spin-up e o spin-down dos átomos de disprósio.
“Se o átomo A não vê a luz B e o átomo B não vê a luz A, eles basicamente têm controle independente”, explicou ele. “Como os átomos sempre ficam precisamente no centro do feixe gaussiano, você pode mover [the two different trapped particles] arbitrariamente perto.” Ao controlar cuidadosamente as duas pinças ópticas, a equipe de Du trouxe os átomos de disprósio de spin para cima e para baixo para dentro de 50 nanômetros um do outro, aumentando a força de interação em 1.000 vezes em relação aos níveis de 500 nanômetros.
Com esta bicamada estabelecida, a equipe iniciou uma série de experimentos para estudar interações quânticas de perto. Eles aqueceram uma das camadas de disprósio, completamente separada da outra por uma lacuna de vácuo. Incrivelmente, eles observaram a transferência de calor para a segunda camada através do espaço vazio.
“Normalmente, você precisa de contato ou radiação para a transferência de calor, o que não temos aqui”, disse Du. “Mas ainda vemos transferência de calor, e isso deve ser devido a interações dipolo-dipolo de longo alcance.”
A transferência de calor aparentemente impossível foi apenas um dos efeitos bizarros que a equipe estudou. Agora, eles estão ansiosos para explorar ainda mais o potencial das interações quânticas nesta escala. O grupo já começa a estudar como essas bicamadas interagem com a luz. Mas Du está particularmente interessado noutro efeito quântico, chamado emparelhamento Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) – um estado ligado ao quantum experimentado por algumas partículas subatómicas chamadas férmions a baixas temperaturas.
“O emparelhamento BCS entre camadas é muito importante para a supercondutividade”, disse ele. “Há vários anos, um artigo teórico previu que se tivéssemos este tipo de sistema de bicamada, acoplado por interações dipolo-dipolo de longo alcance, poderíamos formar um par BCS. Anteriormente não fomos capazes de ver isso experimentalmente, mas agora pode ser possível com nosso sistema.”
