Como criar um gás quântico em 10 ms e ver uma explosão Bosenova

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/12/2024

Ilustração artística da implosão Bosenova (ver descrição abaixo).
[Imagem: National Taiwan University]

Gases quânticos

O resfriamento a laser é uma técnica bem conhecida, já utilizada em computadores quânticos e em inúmeros experimentos científicos, permitindo esfriar coisas tão pequenas quanto átomos, levando-os até bilionésimos de grau acima do zero absoluto, a temperatura inatingível onde todo movimento pára.

Mas os cientistas têm conseguido gerar vários estados exóticos da matéria, que também precisam ser resfriados para que seja possível estudar suas propriedades. Só que isso nem sempre é fácil. Por exemplo, resfriar gases atômicos para o regime quântico geralmente envolve etapas demoradas, que podem por a perder todo o delicado experimento.

Tudo começa forçando um gás comum a fazer a transição para um gás quântico, um estado não clássico da matéria, ao lado dos estados gasoso, líquido, sólido e plasmático. Os gases quânticos têm desempenhado um papel crucial no desenvolvimento da ciência e da tecnologia quânticas - um gás feito de luz e um líquido que se torna sólido quando aquecido, por exemplo.

Essa transição pode ser grandemente facilitada pelo resfriamento, que equivale a aumentar o comprimento de onda das ondas de matéria. Contudo, desde que os ganhadores do Nobel, Eric Cornell e Carl Wieman, observaram gases quânticos experimentalmente pela primeira vez, em 1995, todos os métodos para criar gases quânticos têm dependido do resfriamento evaporativo, que é semelhante a resfriar água quente deixando que ela evapore à temperatura ambiente. No entanto, esse método de resfriamento é ineficiente e requer tempo para que as colisões atômicas ocorram.

É aqui que entra a novidade, um novo tipo de resfriamento óptico.

Etapas da transição do gás clássico para gás quântico - as duas etapas finais são a transparência induzida eletromagneticamente (EIT) e a expansão adiabática.
[Imagem: Mingjie Xin et al. - 10.1038/s41567-024-02677-9]

Transição para gás quântico ultrarrápida

Agora, Mingjie Xin e colegas da Universidade Nacional de Taiwan demonstraram um método excepcionalmente eficiente para produzir gases quânticos - ele alcança quase 100% de eficiência e uma velocidade aproximadamente 100 vezes mais rápida de resfriamento do que os métodos convencionais.

O método envolve aprisionar átomos em uma rede óptica tridimensional, criada por uma série de lasers, e empregar duas técnicas para resfriar rapidamente os átomos: A transparência induzida eletromagneticamente e a expansão adiabática. A primeira é um efeito que permite mudar radicalmente as propriedades ópticas da matéria por meio da luz, criando uma espécie de "invisibilidade quântica"; a segunda é um processo termodinâmico pelo qual um gás aumenta de volume sem trocar calor com o ambiente externo.

Esta técnica inovadora tem potencial para ser amplamente empregada em plataformas de átomos frios, usadas em sensores e medições e na computação quântica, por exemplo, sobretudo porque ela é muito rápida: A transição clássico-quântico deu-se após 10 milissegundos de resfriamento.

Configuração dos alinhamentos ópticos para a nova técnica de resfriamento.
[Imagem: Mingjie Xin et al. - 10.1038/s41567-024-02677-9]

Explosão Bosenova

E o primeiro uso da técnica já trouxe uma surpresa: Ao induzir a transição de um gás clássico para um gás quântico usando sua nova técnica de resfriamento, a equipe observou um fenômeno no gás quântico que se assemelha a uma explosão de supernova, que eles batizaram de explosão "Bosenova".

Uma nova é uma explosão que ocorre na superfície de uma estrela anã branca conforme ela rouba material de uma companheira, acumulando-o em sua superfície até atingir uma massa crítica, que causa a explosão. Uma supernova é uma explosão estelar ainda mais energética e luminosa, que marca a morte violenta de uma estrela muito grande. Aqui, porém, o nome Bosenova é uma metáfora para uma nova em um condensado de Bose-Einstein.

A imagem no início desta reportagem ilustra especificamente o colapso Bosenova do gás quântico, onde a parte central representa o gás quântico formado dentro de uma rede óptica tridimensional. Após o colapso, os átomos colidem e emitem uma grande quantidade de jatos atômicos, formando uma estrutura semelhante a uma concha.

A expectativa é que a Bosenova possa ser usada para testes experimentais de teorias astrofísicas.

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