Átomos são focalizados como se fossem ondas de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/12/2021

Um laser atômico fluindo de cima para baixo cria uma cáustica, um padrão refratado como o que é produzido pela luz ao encontrar um obstáculo.
[Imagem: M. E. Mossman et al. - 10.1038/s41467-021-27555-3]

Focalizando átomos

Átomos, elétrons, fótons e demais entidades atômicas e subatômicas podem ser vistas como partículas ou como ondas.

Contudo, embora seja trivial focalizar uma onda de luz, usando uma lente, por exemplo, não é comum ouvir falar em focalizar um átomo, ainda que ele seja uma onda.

Pois foi justamente isso o que fizeram pela primeira vez Maren Mossman e seus colegas da Universidade Estadual de Washington, nos EUA.

O que acontece é que, quando resfriados quase até o zero absoluto, os átomos não apenas se movem em ondas como a luz, mas também podem ser focados em formas chamadas cáusticas, semelhantes aos padrões de reflexão ou refração que a luz faz no fundo de uma piscina ou através de uma taça - cáustica é a superfície dos raios de luz dispersos por uma superfície curva.

A equipe desenvolveu uma técnica que permite ver essas cáusticas de ondas de matéria. Os resultados são extremidades pontiagudas (cúspides) ou dobras curvas, e formas em "V" para cima ou para baixo.

Laser de átomos

A técnica consiste em colocar obstáculos atrativos ou repulsivos no caminho de um laser que atravessa um condensado de Bose-Einstein, um conjunto de átomos que, ao chegarem perto do zero absoluto, passam a se comportar como se fossem um só. Quando o laser atravessa a nuvem, os átomos em forma de onda começam a se alinhar em coluna e se mover juntos, criando um curioso laser atômico - um laser de matéria.

"Um laser de luz é um fluxo colimado e coerente de fótons, e estamos essencialmente fazendo isso com átomos," explicou Mossman. "Os átomos meio que andam juntos e se comportam como um objeto. Então, decidimos ver o que aconteceria se cutucássemos esse objeto."

Observação experimental da onda atômica sob os fluxos repulsivo e atrativo.
[Imagem: M. E. Mossman et al. - 10.1038/s41467-021-27555-3]

Ondas de matéria

Os pesquisadores "cutucaram" o laser atômico colocando obstáculos ópticos em seu caminho, essencialmente projetando comprimentos de onda específicos de um laser comum de luz no fluxo acelerado de átomos. Um tipo de obstáculo repeliu os átomos e produziu cáusticas em formas de dobra para baixo; outro tipo os atraiu, gerando cáusticas em forma de cúspides ascendentes.

Embora seja uma pesquisa fundamental, essas cáusticas têm potencial de aplicação para medições altamente precisas ou em dispositivos de cronometragem, como interferômetros e relógios atômicos.

"É uma bela demonstração de como podemos manipular as ondas de matéria de uma forma muito semelhante a como manipularíamos a luz," disse o professor Peter Engels. "Um átomo é acelerado pela gravidade, portanto podemos imitar efeitos que seriam muito difíceis de ver com a luz. Além disso, como os átomos respondem a muitas coisas diferentes, podemos explorar isso para novos tipos de sensores que sejam particularmente bons em detectar campos magnéticos, gradientes em campos elétricos ou a gravidade."

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