Quais são os limites da física quântica? Esta é uma questão que tem sido pesquisada em todo o mundo há décadas. Se quisermos tornar as propriedades do mundo quântico tecnicamente utilizáveis, precisamos entender se objetos que são significativamente maiores que átomos e moléculas também podem exibir fenômenos quânticos.
Por exemplo, pequenas esferas de vidro com um diâmetro de cem nanômetros podem ser examinadas – ainda mais de mil vezes menores que um grão de areia, mas enormes em padrões quânticos. Durante anos, tentativas foram feitas para mostrar até que ponto tais esferas ainda exibem propriedades quânticas. Um grupo de pesquisa da ETH Zurich, com apoio teórico da TU Wien (Viena), alcançou agora um marco: conseguiram demonstrar que as vibrações rotacionais de tais partículas se comportam de acordo com a física quântica, não apenas quando são resfriadas a temperaturas próximas do zero absoluto utilizando métodos de resfriamento complexos, mas até mesmo à temperatura ambiente.
Quanta de vibração: apenas certas oscilações são permitidas
“Uma partícula microscópica sempre vai oscilar um pouco,” diz Carlos Gonzalez-Ballestero do Instituto de Física Teórica da TU Wien. “Essa oscilação depende da temperatura e de como a partícula é influenciada pelo seu ambiente.”
Na vida cotidiana, presumimos que qualquer tipo de oscilação é possível. O pêndulo de um relógio, por exemplo, pode ser balançado em qualquer ângulo e pode ser colocado em oscilação um pouco mais forte ou um pouco mais fraco – como você desejar. No entanto, no mundo quântico, as coisas são diferentes: se você observar oscilações com energia muito baixa, descobrirá que existem “quanta de oscilação” muito específicos.
Há uma vibração mínima, conhecida como “estado fundamental,” uma vibração ligeiramente maior que carrega um pouco mais de energia (o “primeiro estado excitado”), e assim por diante. Não há estado intermediário, mas a partícula pode existir em uma combinação quântica de diferentes estados de vibração – este é um dos conceitos centrais da física quântica.
“É muito difícil colocar uma nanopartícula em um estado onde suas propriedades quânticas se tornem evidentes,” diz Carlos Gonzalez-Ballestero. “Você tem que deixar a partícula flutuar para isolá-la de qualquer interferência o máximo possível. E normalmente você também precisa garantir temperaturas extremamente baixas, próximas do zero absoluto, que é menos 273,15 graus Celsius.”
A rotação congela, a partícula permanece quente
ETH Zurich e TU Wien desenvolveram agora uma técnica que permite trazer um aspecto muito específico da nanopartícula para um estado quântico, mesmo que a partícula em si esteja em um estado quente e desordenado.
‘Usamos uma nanopartícula que não é perfeitamente redonda, mas ligeiramente elíptica,’ explica Carlos Gonzalez-Ballestero. “Quando você mantém essa partícula em um campo eletromagnético, ela começa a girar. Nossa pergunta era: Podemos ver as propriedades quânticas dessa vibração rotacional? Podemos extrair energia desse movimento rotacional até que ela esteja principalmente no estado quântico fundamental?”
Feixes de laser e sistemas de espelhos foram utilizados para isso. ‘O laser pode tanto fornecer energia à nanopartícula quanto retirar energia dela,” explica Carlos Gonzalez-Ballestero. “Ajustando os espelhos de uma maneira adequada, você pode garantir que a energia seja extraída com alta probabilidade e apenas adicionada com baixa probabilidade. A energia do movimento rotacional, portanto, diminui até que nos aproximemos do estado quântico fundamental.’
Para conseguir isso, no entanto, uma série de problemas teóricos difíceis precisaram ser resolvidos – o ruído quântico dos lasers teve que ser corretamente entendido e controlado.
Pureza quântica recorde
Finalmente, foi realmente possível demonstrar que a rotação pode ser trazida para um estado que corresponde quase exclusivamente ao estado mecânico quântico fundamental. O impressionante nisso é que a nanopartícula não esfriou – pelo contrário, ela está na verdade a várias centenas de graus.
“Você tem que considerar diferentes graus de liberdade separadamente,” explica Carlos Gonzalez-Ballestero. “Isso permite que a energia do movimento rotacional seja reduzida de maneira muito eficaz sem ter que reduzir a energia térmica interna da nanopartícula ao mesmo tempo. Incrivelmente, a rotação pode congelar, por assim dizer, mesmo que a partícula em si tenha uma alta temperatura.”
Isso tornou possível criar um estado que é significativamente ‘mais puro’ em termos de física quântica do que era anteriormente possível com partículas semelhantes – mesmo sem a necessidade de resfriamento. “Esta é uma maneira tecnicamente notavelmente prática de expandir os limites da física quântica,” diz Carlos Gonzalez-Ballestero. “Agora podemos estudar as propriedades quânticas de objetos de forma estável e confiável, o que antes era quase impossível.”
