Nova técnica de resfriamento atinge energia do ponto zero

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/07/2011

A radiação é disparada na frequência "errada" da ressonância. Ela se ajusta no interior da cavidade e sai na frequência "correta", levando consigo energia do movimento do nanotambor, o que resulta em seu resfriamento.
[Imagem: Teufel/NIST]

Circuitos quânticos mecânicos

Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), dos Estados Unidos, desenvolveram uma nova técnica, flexível e amplamente utilizável, para acalmar as vibrações de um objeto mecânico até trazê-lo ao seu estado fundamental de energia.

O estado fundamental de energia é o nível de energia mais baixo possível.

O feito cria uma nova ferramenta para o desenvolvimento de circuitos quânticos feitos de peças mecânicas.

Esta é segunda vez que os cientistas conseguem atingir essa energia do ponto zero (ground state).

A primeira vez foi em 2010, quando os pesquisadores finalmente demonstraram que o mundo quântico se relaciona com o mundo macroscópico, usando um sistema tradicional de refrigeração.

A grande novidade agora é a técnica de refrigeração, muito simples e barata.

Vibra sem se mexer

Os cientistas criaram um nanotambor feito de alumínio, com 100 nanômetros de espessura e 15 micrômetros de diâmetro - a peça inteira tem cerca de um trilhão de átomos, o que o coloca no reino da mecânica quântica.

A seguir, eles aplicaram sua nova técnica de resfriamento, usando radiação eletromagnética na faixa das micro-ondas, para fazer o nanotambor ficar absolutamente parado, sem qualquer movimento.

Como uma corda de guitarra toca o mesmo tom enquanto o som se dissipa, o nanotambor continua a bater 11 milhões de vezes por segundo, mas sua amplitude de movimento se aproxima de zero - tão estranho quanto qualquer outra coisa na mecânica quântica.

A nova técnica de resfriamento e o próprio dispositivo mecânico, juntos, prometem novas máquinas de computação quântica e novos testes da teoria quântica, podendo ainda ajudar a avançar o campo emergente da acústica quântica, que busca explorar a natureza quântica das vibrações mecânicas.

Resfriamento com micro-ondas

Os cientistas usaram a pressão da radiação de micro-ondas para acalmar o movimento do nanotambor.

O circuito foi projetado de modo que o movimento do nanotambor pode influenciar as micro-ondas dentro de uma cavidade eletromagnética.

O método de resfriamento tira proveito da tendência da radiação de micro-ondas para mudar de frequência, se necessário, para corresponder à frequência, ou tom, de ressonância da cavidade.

A radiação é disparada na frequência "errada" da ressonância. Ela se ajusta no interior da cavidade e sai na frequência "correta", levando consigo energia do movimento do nanotambor, o que resulta em seu resfriamento.

Primeiro, o nanotambor é posto em um refrigerador criogênico, usando hélio líquido, o que diminui sua energia para cerca de 30 quanta.

Em seguida, a refrigeração por micro-ondas reduz a temperatura do cilindro de 20 miliKelvin (milésimos de grau acima do zero absoluto) para abaixo de 400 microKelvin (milionésimos de grau acima do zero absoluto), efetivamente reduzindo a energia do nanotambor para apenas um terço de um quantum.

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