Bússola mais sensível já construída vence limite fundamental do magnetismo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/02/2022

Esquema da "bússola" feita com um condensado de Bose-Einstein.
[Imagem: Silvana Palacios Alvarez et al. - 10.1073/pnas.2115339119]

Magnetômetros

As bússolas têm-nos guiado há séculos.

Mais recentemente, sensores magnéticos muito mais precisos têm sido desenvolvidos para as mais diversas aplicações, como ajudar os médicos a ver o cérebro através de imagens, ou os arqueólogos a revelar tesouros subterrâneos sem escavar o solo.

Todos são magnetômetros, sensores capazes de medir a direção, força ou mudança relativas de campos magnéticos, em um ponto específico no espaço e no tempo.

Alguns campos magnéticos de grande interesse, por exemplo os produzidos pelo cérebro, são extraordinariamente fracos, um bilhão de vezes mais fracos que o campo magnético da Terra e, portanto, são necessários magnetômetros extremamente sensíveis para detectar esses campos fracos.

Valor de ℏ

Muitas tecnologias exóticas foram inventadas para essas detecções de precisão do magnetismo, incluindo dispositivos supercondutores e vapores atômicos sondados a laser. Até as impurezas que dão cor a alguns diamantes têm sido usadas como sensores magnéticos.

Contudo, qualquer que fosse a técnica de medição, a sensibilidade de todas essas tecnologias estava estagnada no mesmo nível, o que significa que alguns sinais magnéticos eram simplesmente muito fracos para serem detectados.

A física descreve essa limitação com uma quantidade chamada "resolução de energia por largura de banda", representada por ER, um número que combina a resolução espacial, a duração da medição e o tamanho da área detectada. Por volta de 1980, os sensores magnéticos supercondutores atingiram o nível ER = ℏ e, desde então, nenhum sensor foi capaz de fazer melhor.

O símbolo ℏ (pronuncia-se "h barra") é a constante fundamental de Planck, também chamada de "quantum de ação".

Mais de 40 anos depois, essa limitação acaba de ser vencida por Silvana Palacios e uma equipe do Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO), na Espanha, e da Universidade de Aalto, na Finlândia.

Aparato de laboratório usado para criar o magnetômetro mais preciso já construído.
[Imagem: Silvana Palacios Alvarez et al. - 10.1073/pnas.2115339119]

Bússola mais precisa do mundo

Para criar o magnetômetro mais preciso já construído, Silvana e seus colegas resfriaram um gás de átomos do elemento químico rubídio até temperaturas ligeiramente acima do zero absoluto.

Essa nuvem de rubídio foi mantida fria por resfriamento evaporativo em um vácuo quase perfeito, e mantida levitando contra a gravidade por uma armadilha óptica - o nome técnico da matéria nesse estado é condensado de Bose-Einstein, no qual os átomos do gás se comportam como se fossem um só.

Nessas temperaturas ultrafrias, os átomos formam um superfluido magnético que responde aos campos magnéticos da mesma forma que uma agulha de bússola comum, mas que pode se reorientar com zero de atrito ou viscosidade. Por causa disso, um campo magnético realmente minúsculo pode fazer com que o condensado se reoriente, tornando o campo minúsculo detectável.

Os pesquisadores mostraram que sua bússola ultrafria atinge uma resolução de energia por largura de banda de ER = 0,075 ℏ, 17 vezes melhor do que qualquer tecnologia anterior.

O maior feito da equipe foi provar que ℏ não é um limite fundamental intransponível.
[Imagem: Silvana Palacios Alvarez et al. - 10.1073/pnas.2115339119]

Ultrapassando velhos limites

Silvana já confirmou que seu sensor é capaz de detectar campos magnéticos anteriormente indetectáveis. E essa sensibilidade pode ser melhorada ainda mais com uma melhor técnica de leitura, ou usando condensados de Bose-Einstein feitos de outros átomos.

O magnetômetro poderá ser usado diretamente no estudo das propriedades físicas dos materiais e até na busca da matéria escura.

Talvez mais importante, porém, o experimento demonstrou que ℏ não é um limite fundamental intransponível, o que abre o caminho para que se desenvolvam magnetômetros ainda mais sensíveis para inúmeras aplicações, incluindo estudar o cérebro humano.

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