Três esferas de vidro nano se grudam umas às outras. Elas formam um aglomerado em forma de torre, semelhante a quando você empilha três bolas de sorvete uma sobre a outra – só que muito menor. O diâmetro do aglomerado nano é dez vezes menor que o de um fio de cabelo humano. Com a ajuda de um dispositivo óptico e raios laser, pesquisadores do ETH Zurich conseguiram manter esses objetos quase completamente imóveis em levitação. Isso é significativo para o futuro desenvolvimento de sensores quânticos, que, junto com os computadores quânticos, constituem as aplicações mais promissoras da pesquisa quântica.
Como parte de seu experimento de levitação, os pesquisadores, liderados pelo professor adjunto de fotônica Martin Frimmer, conseguiram eliminar a força gravitacional que atua sobre as esferas de vidro. No entanto, o objeto nano alongado ainda tremia, semelhante a como a agulha de uma bússola se move ao se acomodar. No caso do aglomerado nano, o movimento de tremor era muito rápido, mas fraco: o objeto fazia cerca de um milhão de desvios por segundo, cada um medindo apenas alguns milésimos de grau. Essa diminuta oscilação rotacional é um movimento quântico fundamental exibido por todos os objetos e que os físicos chamam de flutuação de ponto zero. “De acordo com os princípios da mecânica quântica, nenhum objeto pode permanecer perfeitamente imóvel”, explica Lorenzo Dania, um pós-doutorando no grupo de Frimmer e primeiro autor do estudo. “Quanto maior o objeto, menores são essas flutuações de ponto zero e mais difícil é observá-las.”
Múltiplos recordes
Até o momento, ninguém havia conseguido detectar esses diminutos movimentos para um objeto desse tamanho com tanta precisão quanto os pesquisadores do ETH conseguiram agora. Eles alcançaram isso porque conseguiram eliminar em grande parte todos os movimentos que se originam do campo da física clássica e obscurecem a observação dos movimentos quânticos. Os pesquisadores do ETH atribuem 92% dos movimentos do aglomerado em seu experimento à física quântica e 8% à física clássica; por isso, referem-se a um alto nível de pureza quântica. “Anteriormente, não esperávamos alcançar um nível tão alto de pureza quântica,” explica Dania.
E os recordes não param por aí: os pesquisadores realizaram tudo isso à temperatura ambiente. Pesquisadores quânticos normalmente precisam resfriar seus objetos a uma temperatura próxima do zero absoluto (-273 graus Celsius) usando equipamentos especiais. Isso não foi necessário aqui. Frimmer faz uma analogia: “É como se tivéssemos construído um novo veículo que transporta mais carga do que caminhões tradicionais e ao mesmo tempo consome menos combustível.”
Pequeno e enorme ao mesmo tempo
Enquanto muitos pesquisadores investigam efeitos quânticos em átomos individuais ou pequenos grupos de átomos, Frimmer e seu grupo estão entre aqueles que trabalham com objetos relativamente grandes. O aglomerado de nanoesferas pode ser pequeno em termos cotidianos, mas é composto por centenas de milhões de átomos, tornando-o enorme do ponto de vista de um físico quântico. O interesse em objetos desse tamanho é parcialmente impulsionado por esperanças em futuras aplicações em tecnologia quântica, por exemplo. Tais aplicações requerem sistemas maiores para serem controlados usando os princípios da mecânica quântica.
Os pesquisadores conseguiram levitar suas nanopartículas usando o que é conhecido como pinça óptica. Nesse processo, a partícula é colocada em um vácuo em um recipiente transparente. Uma lente é usada para focalizar a luz laser polarizada em um ponto dentro desse recipiente. Nesse ponto focal, a partícula se alinha com o campo elétrico do laser polarizado, permanecendo assim estável.
“Um começo perfeito”
“O que alcançamos é um começo perfeito para novas pesquisas que um dia poderiam alimentar aplicações,” diz Frimmer. Para tais aplicações, primeiro é necessário um sistema com alta pureza quântica em que toda a interferência externa possa ser suprimida com sucesso e os movimentos controlados da maneira desejada, afirma, acrescentando que isso foi alcançado agora. Seria então possível detectar efeitos mecânicos quânticos, medi-los e utilizar o sistema para aplicações em tecnologia quântica.
Entre as possíveis aplicações estão a pesquisa básica em física para projetar experimentos que investiguem a relação entre gravidade e mecânica quântica. O desenvolvimento de sensores para medir forças diminutas, como as de moléculas de gás ou até mesmo partículas elementares que atuam sobre o sensor, também é concebível. Isso seria útil na busca por matéria escura. “Agora temos um sistema que é relativamente simples, econômico e bem adequado para esse propósito,” diz Frimmer.
Aplicações em navegação e medicina
No futuro distante, sensores quânticos também poderiam ser utilizados em imagens médicas. Espera-se que eles sejam capazes de detectar sinais fracos em ambientes onde os dispositivos de medição normalmente captam principalmente ruído de fundo. Outra aplicação potencial poderiam ser sensores de movimento que poderiam facilitar a navegação de veículos mesmo quando não há contato com um satélite GPS.
Para a maioria dessas aplicações, o sistema quântico precisaria ser miniaturizado. Segundo os pesquisadores do ETH, isso é possível em princípio. De qualquer forma, eles encontraram uma maneira de alcançar o estado quântico controlável desejado sem resfriamento demorado, caro e intensivo em energia.
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