Algo do nada: Físicos resfriam objeto medindo... nada

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/03/2025

Resfriamento com luz funciona quando não há luz: A medição de "nada" produz um efeito real (Ilustração da galeria de modo sussurrante usada no experimento).
[Imagem: QML/Imperial College London]

O problema da medição

O chamado "problema da medição" é um dos maiores e mais debatidos mistérios da física quântica: Como os estados quânticos podem existir em superposição, uma combinação de múltiplos estados simultaneamente, a mera ação de medir "decide" o estado que será detectado, mostrando que, no mundo quântico, é impossível observar a realidade sem alterá-la.

Além disso, a dualidade onda-partícula dá realidade à função de onda, que só registra probabilidades: No momento da medição, o sistema "escolhe" um estado e o valor da propriedade se torna definido.

Leve apenas isto em consideração - nem falamos aqui do efeito do observador - e você terá elementos suficientes para não estranhar tanto o resultado da pesquisa de Evan Cryer-Jenkins e colegas de várias universidades da Alemanha e do Reino Unido.

A equipe realizou experimentos combinando luz e som, e constatou um efeito surpreendente: A simples medição de nada - sim, nada é realmente medido - é suficiente para diminuir a temperatura de um objeto.

Em outras palavras, embora as medições geralmente se concentrem na observação de um objeto presente, a ausência do objeto não apenas fornece informações valiosas, como pode ser usada para executar um trabalho definido.

O efeito é bizarro: Quando nenhum fóton está lá (linha inferior), o resfriamento é fortemente otimizado.
[Imagem: Evan A. Cryer-Jenkins et al. - 10.1103/PhysRevLett.134.073601]

Não há nada lá - só o efeito real

O resfriamento a laser, ou refrigeração óptica, foi demonstrada pela primeira vez há 40 anos e hoje é a base de muitos campos de pesquisa. Essencialmente, a técnica consiste em usar os fótons para "injetar" energia nas partículas que estão se movendo em direção à fonte de laser; as partículas logo retornam ao seu estado de energia anterior, emitindo fótons e perdendo aquela energia ganha; o balanço final é que a partícula não ganha ou perde energia, mas é desacelerada, o que equivale a dizer que ela ficou mais fria.

Isso é muito comum com átomos, mas a equipe usou uma microesfera de vidro - quatro vezes maior que um fio de cabelo humano - que captura tanto luz quanto ondas sonoras de alta frequência, refletindo-as continuamente ao redor de sua circunferência. O sistema se torna um "ressonador de modo de galeria sussurrante", que confina a luz e o som por tempo suficiente para que eles interajam um com o outro, correlacionando as duas ondas.

Medições subsequentes da luz que sai da esfera de vidro fornecem informações sobre a onda sonora.

Graças a um sensor capaz de detectar fótons únicos, os pesquisadores conseguiram determinar se um ou nenhum fóton tinha sido dispersado pela onda sonora em cada momento do tempo. Então, considerando apenas os momentos em que nenhum fóton foi detectado, a equipe observou com uma medição independente que as ondas sonoras circulando na esfera de vidro eram mais silenciosas do que o normal. O contrário também foi verdadeiro: Quando um único fóton era detectado, as ondas sonoras eram mais altas.

Se as ondas sonoras eram mais silenciosas, isso equivale a dizer que a esfera de vidro havia ficado mais fria, mesmo que nenhum fóton a tenha deixado. E, quando um fóton de fato saiu, ela permaneceu mais quente.

"Este resultado foi certamente surpreendente no início," disse Jenkins, do Colégio Imperial de Londres. "No entanto, faz sentido, pois a luz e o som estão correlacionados em nosso experimento, então a informação obtida da medição permite que o estado da onda sonora seja ainda mais resfriado."

Esquema para melhorar ou habilitar o resfriamento mecânico por meio da detecção de zero fótons.
[Imagem: Jack Clarke et al. - 10.1103/PhysRevA.111.023516]

Resfriamento com medição de zero fótons

A equipe alerta que ninguém deve se assustar muito com a medição de nada produzindo um efeito real, e afirma que coisas parecidas acontecem no nosso dia a dia.

"Embora pareça contraintuitivo a princípio, atualizar nosso conhecimento sobre o mundo depois de perceber que algo não está lá é, na verdade, algo que fazemos todos os dias. Seja verificando se está chovendo ou percebendo que você perdeu suas chaves, perceber a ausência é frequentemente tão revelador quanto a presença," contextualizou Jack Clarke, membro da equipe.

Além de inspirar novos experimentos, em busca de outros efeitos igualmente fascinantes, a equipe espera que a sua chamada "medição de fóton zero" possa ter amplos usos.

"Usar a detecção de fótons zero para ajudar a resfriar sistemas quânticos em seu estado fundamental ajudará no desenvolvimento de computadores quânticos e redes quânticas, bem como testará as leis fundamentais da física," disse Kyle Major, membro da equipe.

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