Nanomicrofone detecta partículas individuais de som

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/08/2019

Nesta ilustração, os diferentes números de fônons são visíveis como diferentes picos no espectro do qubit, mostrado esquematicamente atrás dos ressonadores.
[Imagem: Wentao Jiang)]

Fônons, partículas de som e calor

O microfone mais sensível já construído é tão sensível que consegue detectar "partículas" individuais de som, chamadas fônons.

O nanomicrofone promete acelerar o desenvolvimento de computadores quânticos menores e mais eficientes, que operam manipulando o som em vez da luz - sim, já existem computadores quânticos acústicos em desenvolvimento.

"Esperamos que este dispositivo permita novos tipos de sensores quânticos, transdutores e dispositivos de armazenamento para futuras máquinas quânticas," disse o professor Amir Naeini, da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos.

Os fônons são pacotes de energia vibracional emitidos conforme os átomos se agitam. Esses pacotes indivisíveis de movimento, ou quanta, se manifestam como som ou como calor, dependendo de suas frequências - Albert Einstein propôs a existência dos fônons em 1907.

Tal como os fótons, que são os portadores quânticos da luz, os fônons são quantizados, ou seja, suas energias vibracionais são restritas a valores discretos - de forma similar a como uma escada é composta de degraus distintos, e diferente das coisas mais comuns no mundo clássico, que são contínuas, lembrando mais os escorregadores.

"O som tem essa granularidade que normalmente não experimentamos. O som, no nível quântico, crepita," disse Naeini.

Este é o microfone quântico real, visto ao microscópio.
[Imagem: Arriola et al. - 10.1038/s41586-019-1386-x]

Estados de energia

Até agora, os cientistas não conseguiam medir os fônons individualmente porque as diferenças de energia entre seus estados - na analogia da escada, o espaçamento entre os degraus - são muito pequenas.

"Um fônon corresponde a uma energia dez trilhões de trilhões de vezes menor do que a energia necessária para manter uma lâmpada ligada por um segundo," compara o pesquisador Patricio Arriola, responsável pela construção do nanomicrofone. "Se você tentar medir o número de fônons com um microfone normal, o ato de medir injeta energia no sistema que mascara a própria energia que você está tentando medir."

Em um microfone comum, as ondas sonoras que chegam fazem vibrar uma membrana interna, e esse deslocamento físico é convertido em uma tensão elétrica mensurável. Essa abordagem não funciona para detectar fônons individuais porque, de acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, a posição de um objeto quântico não pode ser precisamente conhecida sem alterá-la.

Em vez disso, os físicos inventaram uma maneira de medir o número de fônons diretamente nas ondas sonoras, usando os chamados estados de Fock (Vladimir Fock 1898-1974), ou número de estado. A energia de um sistema mecânico pode ser representada como diferentes estados Fock - 0, 1, 2 e assim por diante - com base no número de fônons que ele gera. Por exemplo, um "estado de Fock 1" consiste em um fônon de uma energia particular, um "estado de Fock 2" consiste em dois fônons com a mesma energia, e assim por diante. Números de estado mais altos correspondem a sons mais altos.

O nanomicrofone lembra a estrutura dos componentes lógicos termais, que estão abrindo caminho para o desenvolvimento de processadores à base de som.
[Imagem: Elzouka/Ndao - 10.1038/srep44901]

Microfone quântico

O microfone quântico desenvolvido pela equipe consiste em uma série de ressonadores nanomecânicos super-resfriados. Os ressonadores são acoplados a um circuito supercondutor que contém pares de elétrons que se movem sem resistência. Esse circuito forma um bit quântico, ou qubit, que pode existir em dois estados ao mesmo tempo e tem uma frequência natural, que pode ser lida eletronicamente. Quando os ressonadores mecânicos vibram como a pele de um tambor, eles geram fônons em estados diferentes.

"Os ressonadores são formados de estruturas periódicas que atuam como espelhos para o som. Ao introduzir um defeito nessas redes artificiais, podemos prender os fônons no meio das estruturas," explicou Arriola.

Os fônons aprisionados sacodem as paredes de suas prisões e fios ultrafinos transmitem esses movimentos mecânicos ao qubit, cuja frequência muda proporcionalmente ao número de fônons nos ressonadores. Medindo as mudanças do qubit, os pesquisadores puderam determinar os níveis de energia quantificados dos ressonadores vibratórios - efetivamente resolvendo os próprios fônons individualmente.

"Diferentes níveis de energia dos fônons aparecem como picos distintos no espectro do qubit," disse Naeini. "Esses picos correspondem aos estados de Fock de 0, 1, 2 e assim por diante. Esses múltiplos picos nunca haviam sido vistos antes."

Além de computadores quânticos sônicos, esta tecnologia poderá ajudar no desenvolvimentos dos lasers de som, em sensores que detectam cheiros pelo som da luz e em versões acústicas das pinças ópticas para capturar partículas microscópicas.

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