Esfera que levita por luz mostra fenômenos quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/12/2009

Em uma proposta quase simultânea, pesquisadores alemães afirmam que a levitação óptica poderá ser usada para estudar fenômenos quânticos em organismos vivos.
[Imagem: Romero-Isart et al.]

O entrelaçamento de partículas e a superposição quântica são fenômenos bem conhecidos e explorados pelos pesquisadores que estão tentando construir computadores quânticos.

Agora, cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos, estão propondo que esses fenômenos, tão distantes do senso comum, podem ser utilizados para mover objetos microscópicos.

A proposta, quanto puder ser realizada na prática, representará um novo paradigma que permitirá que os cientistas observem fenômenos quânticos em sistemas mecânicos que, embora diminutos, são muito maiores do que as escalas nas quais os próprios fenômenos quânticos ocorrem.

Entrelaçamento e superposição

Uma superposição quântica é um estado no qual uma partícula, como um fóton ou um átomo, existe simultaneamente em dois locais - somente quando se tenta detectar sua posição, sua função de onda colapsa e ela "escolhe" uma das posições.

O entrelaçamento quântico, algumas vezes chamado de emaranhamento, foi o que Albert Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância" - ele permite que as partículas compartilhem informações instantaneamente, mesmo estando fisicamente separadas por grandes distâncias.

Isolamento dos sistemas quânticos

O estudo do comportamento quântico em pequenos sistemas mecânicos tem um gargalo fundamental: a eliminação dos "ruídos", as interações entre o sistema e o seu ambiente. As vibrações térmicas aleatórias do ambiente são facilmente transferidas para o objeto mecânico, destruindo suas frágeis propriedades quânticas.

Para resolver este problema, pesquisadores do mundo todo começaram a usar dispositivos criogênicos - onde o ambiente é resfriado a uma temperatura muito baixa, reduzindo a magnitude dessas vibrações aleatórias - e a isolar os sistemas quânticos em armadilhas magnéticas - para que o sistema não tenha nenhum contato direto com o exterior.

Levitação por luz

Os cientistas estão agora propondo uma abordagem fundamentalmente diferente: usar a força transmitida por intensos raios de luz para levitar o objeto mecânico inteiro, liberando-o de qualquer contato externo e eliminando a necessidade dos aparatos magnéticos e criogênicos de sustentação.

Segundo eles, essa abordagem pode reduzir drasticamente o ruído ambiental, a ponto de diversas manifestações de comportamento quântico poderem ser observadas mesmo a temperatura ambiente.

A ideia de usar forças ópticas para prender e levitar pequenas partículas é bem estabelecida e largamente utilizada em ferramentas como as pinças ópticas e em feixes de laser usados para resfriar objetos.

Nesta nova proposta, os cientistas demonstraram que os mesmos mecanismos ópticos podem ser utilizados para manipular sistemas mecânicos muito maiores do que átomos individuais - mas permanecendo dentro da escala dos nanômetros.

Como acontece rotineiramente na ciência, um grupo de pesquisadores do Instituto Max Planck, da Alemanha, publicou uma proposta similar quase ao mesmo tempo. Os pesquisadores alemães propõem que o seu sistema óptico pode teoricamente ser utilizado para estudar a superposição em organismos vivos.

Comportamento quântico

O sistema proposto pela equipe do Caltech consiste em uma minúscula esfera feita de um material altamente transparente, como a sílica. Quando a esfera entra em contato com um feixe de laser, as forças ópticas empurram naturalmente a esfera em direção ao ponto onde a intensidade da luz é maior, fazendo-a levitar e mantendo-a presa nesse ponto do espaço.

A esfera deve ter cerca de 100 nanômetros de diâmetro, ou cerca de um milésimo da largura de um fio de cabelo humano. Devido ao seu tamanho diminuto, as demais interações da esfera com o meio ambiente - qualquer interação que não envolva o contato direto com outro material, porque a esfera está levitando - são suficientemente fracas que o comportamento quântico se manifeste.

Para que o comportamento quântico surja, no entanto, a esfera deve ser colocada dentro de uma cavidade óptica - dois espelhos localizados um de cada lado da esfera em levitação. A luz que se reflete de um lado para o outro entre os espelhos pode ser usada tanto para detectar o movimento da esfera quanto ser usada para manipular esse movimento em amplitudes ao nível da mecânica quântica.

Para que o comportamento quântico surja, a esfera deve ser colocada dentro de uma cavidade óptica - dois espelhos localizados um de cada lado da esfera em levitação.
[Imagem: Romero-Isart et al.]

Zero quântico

Essa interação pode ser usada para remover energia, ou resfriar, o movimento mecânico até que ele atinja seu estado "zero quântico" - o mais baixo nível de energia permitido pela mecânica quântica.

Em princípio, o movimento da esfera bem isolada pode ser resfriado começando da temperatura ambiente até o estado super frio, no qual a temperatura é dez milhões de vezes menor. Nesse estado, o centro de massa da esfera irá se mover apenas o mínimo possível, segundo definido pelas suas flutuações quânticas intrínsecas.

Observando o entrelaçamento quântico

Os pesquisadores também propuseram um esquema para observar o fenômeno do entrelaçamento, que está no coração da mecânica quântica.

Dois sistemas quanticamente entrelaçados, distantes um do outro, compartilham propriedades e correlações que são impensáveis pela mecânica clássica. Em determinadas circunstâncias, o emaranhamento pode ser um recurso muito valioso - ele constitui a base de propostas futurísticas, como os computadores quânticos, e sistemas de metrologia com uma precisão inatingível pelas técnicas atuais.

O sistema agora proposto consiste no envio de um par de feixes de luz entrelaçados quanticamente para duas cavidades distintas, cada uma contendo uma esfera levitando.

Através de um processo conhecido como transferência de estado quântico, todas as propriedades da luz - em particular, o entrelaçamento e suas correlações associadas - podem ser mapeadas no movimento das duas esferas.

Enquanto as dimensões desses objetos nanomecânicos ainda estão muito distantes de qualquer coisa com que lidamos em nossa experiência cotidiana, os pesquisadores acreditam que sua proposta apresenta uma excelente oportunidade para detectar e controlar fenômenos quânticos em escalas sem precedentes - neste caso, em escala gigantescas para os padrões quânticos, em objetos contendo aproximadamente 10 milhões de átomos cada um.

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