Estado quântico fundamental é alcançado com resfriamento a laser

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/10/2011

Micrografia eletrônica do sistema optomecânico, que permitirá estudar a fronteira entre o mundo quântico e o mundo clássico. À direita pode-se ver o mecanismo de resfriamento.
[Imagem: Chan et al.]

Estado quântico fundamental

Com participação de um cientista brasileiro, um grupo das universidades da Califórnia (EUA) e Viena (Áustria) conseguiu pela primeira vez resfriar um objeto até seu estado fundamental usando raios laser.

O estado quântico fundamental, também conhecido como energia de ponto zero, é o estado de mais baixa energia que um objeto pode alcançar. Para isso, virtualmente todo o calor deve ser retirado do objeto.

Esse estado de "paralisia" quase total é essencial para o estudo de fenômenos na escala atômica.

Para resfriar o objeto abaixo dos 100 milikelvin (-273.15°C) os pesquisadores usaram raios laser. Até agora, isso só podia ser feito em armadilhas ópticas que aprisionam átomos de gás.

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A possibilidade de fazer o mesmo em sistemas de estado sólido abre caminho para a construção de sensores extremamente sensíveis, assim como experimentos de mecânica quântica com que os físicos sonham há décadas, sobretudo para estudar como o mundo quântico se relaciona com o mundo macroscópico.

Sistema optomecânico

Oskar Painter e seus colegas construíram uma cavidade óptica nanométrica, uma pastilha de silício com furos perfeitamente espaçados e com uma pequena viga no centro.

"Essa geometria forma uma cavidade óptica onde apenas uma frequência (cor) de um laser pode ser confinada. Outra característica importante desse sistema é a habilidade de servir como um oscilador mecânico, e poder também aprisionar fónons - que são partículas associadas com oscilações mecânicas, assim como os fótons estão associados com as oscilações eletromagnéticas (luz)", explicou Thiago Alegre, professor da Unicamp e membro da equipe.

Segundo ele, ao escolher cuidadosamente a frequência do laser de excitação é possível extrair energia mecânica do objeto por meio da luz que sai da cavidade. Ou seja, ao extrair fónons, os pesquisadores resfriam o objeto, até que ele atinja seu estado fundamental, de mais baixa energia.

"Isso acontece porque a cavidade sempre prefere espalhar luz de uma certa frequência. Quando a diferença entre esta frequência natural da cavidade e a frequência do laser incidente é igual à frequência com que a oscilação mecânica ocorre, pode-se influenciar essa oscilação.

"Dessa forma, a equipe criou uma interface eficiente entre um sistema óptico e um sistema mecânico, onde pode fluir informação de um para outro. O sistema é tão eficiente que os pesquisadores foram capazes de congelar e medir as vibrações no nível de apenas um fónon," complementa.

Energia do ponto zero

Esta não é a primeira vez que se consegue resfriar um objeto nanomecânico até seu estado fundamental.

Este trabalho demonstra pela primeira vez que se pode atingir o estado fundamental usando luz visível, resfriando-se o objeto com a luz de um laser.

Em 2010, Aaron O'Connell e seus colegas foram os pioneiros, demonstrando que o mundo quântico se relaciona com o mundo macroscópico - eles fizeram isto usando uma técnica tradicional de resfriamento.

Há poucos meses, uma equipe NIST fez o mesmo, usando uma técnica também inovadora, baseada no resfriamento com radiação na faixa das micro-ondas.

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