Físicos congelam ondas de rádio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/10/2021

Congelar partículas é tranquilo, mas você já havia ouvido falar em congelar ondas?
[Imagem: Delft University of Technology]

Ondas quentes e ondas frias

Já estamos acostumados com a dualidade onda/partícula, mas alguns fenômenos ainda parecem mais associados a um desses "modos de ser" do que ao outro.

Por exemplo, é fácil imaginar resfriar uma partícula, mas você já havia pensado em congelar uma onda até levá-la perto do zero absoluto?

Pois um trio da Universidade de Tecnologia de Delft, nos Países Baixos, acaba de descobrir uma nova maneira de resfriar ondas de rádio até seu estado quântico fundamental.

As ondas de rádio que usamos o tempo todo em nossa vida diária, seja para conectar nossos celulares à internet sem fios ou para ouvir música no carro, são ondas "quentes": Elas contêm ruído gerado pelo movimento aleatório dos átomos na antena que as emite, no meio em que elas se propagam e na antena que recebe as ondas. Esse é um dos motivos pelos quais você ouve estática ao sintonizar o rádio do carro em uma frequência em que não há uma estação transmitindo.

Resfriamento de ondas

Um dos modos de reduzir esse ruído consiste em resfriar as ondas de rádio, por exemplo, resfriando a antena que as recebe a uma temperatura próxima do zero absoluto. Os átomos da antena não estarão mais se mexendo tanto e o ruído será menor.

Não é uma técnica muito útil para usar no carro, mas é isso que é feito nos computadores quânticos que usam qubits supercondutores, que são resfriados a 10 miliKelvin (mK) para evitar que esses átomos oscilantes criem ruído nos sinais de GHz com os quais trabalham.

"No entanto, algumas aplicações, como ressonância magnética nuclear, detecção de matéria escura ou radioastronomia, estão interessadas em sinais ultrafracos em frequências de MHz," explica a pesquisadora portuguesa Ines Rodrigues, membro da equipe.

Para essas aplicações, resfriar as ondas a 10 mK não é o suficiente: Mesmo nessas temperaturas extremamente baixas, o movimento aleatório dos átomos em um dispositivo ou antena é suficiente para adicionar ruído. Assim, para se livrar do ruído restante, é essencial resfriar ainda mais as ondas de rádio. Mas como?

Esquema e foto do circuito, que deverá ter usos na radioastronomia e na computação quântica.
[Imagem: Ines Corveira Rodrigues et al. - 10.1126/sciadv.abg6653]

Flutuações quânticas

Ines e seus colegas superaram este desafio criando circuitos que empregam uma técnica análoga ao resfriamento a laser, já largamente usada para resfriar amostras atômicas.

O circuito usa um fenômeno que os pesquisadores chamam de acoplamento por pressão de fótons, uma interação entre luz e matéria comparável à interação radiação-pressão entre a luz e os objetos mecânicos. O acoplamento surge de uma mudança na frequência ressonante em um circuito em resposta à corrente que flui em outro circuito associado (veja imagem acima).

Esta técnica já foi usada para coisas como gravar o som de um átomo, mas agora ela promete ser útil na detecção de sinais de ressonância magnética ultrafraca e em aplicações de sensoriamento quântico, que podem ajudar na busca pela matéria escura, por exemplo.

As ondas de rádio assim congeladas chegam à antena de recepção em sua pureza quase absoluta, permitindo registrar sinais que seriam perdidos no ruído. "O ruído dominante que sobra no circuito é apenas devido às flutuações quânticas, o ruído que vem dos estranhos saltos quânticos previstos pela mecânica quântica," disse o professor Gary Steele.

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