Nanopartículas levitam e dançam para testar os limites da teoria quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/03/2024

Duas nanopartículas (verde) presas por pinças ópticas/feixes de laser (vermelho) e colocadas entre dois espelhos (branco) que formam uma cavidade óptica (bolhas azuis periódicas). Os fótons espalhados pelas nanopartículas (setas roxas onduladas) ficam presos na cavidade, resultando em uma interação entre as duas nanopartículas (linha reta roxa).
[Imagem: University of Manchester]

Limite entre clássico e quântico

Depois da proposta de usar ímãs minúsculos levitando para checar se a gravidade é quântica ou não, a questão secular sobre a fronteira entre a física clássica e a física quântica se aproximou um pouco mais de conseguir uma resposta, graças a um experimento realizado por uma equipe de vários países.

"Para observar fenômenos quânticos em escalas maiores e esclarecer a transição clássica-quântica, as características quânticas precisam ser preservadas na presença de ruído do ambiente. Como você pode imaginar, existem duas maneiras de fazer isso: Uma é suprimir o ruído, e a segunda é reforçar as características quânticas.

"Nossa pesquisa demonstra uma maneira de enfrentar o desafio adotando a segunda abordagem. Mostramos que as interações necessárias para o entrelaçamento entre duas partículas de vidro de tamanho de 0,1 micrômetro, presas opticamente, podem ser amplificadas em várias ordens de grandeza para superar as perdas para o meio ambiente," disse Jayadev Vijayan, da Universidade de Manchester.

O experimento consistiu em colocar as partículas entre dois espelhos altamente reflexivos - eles formam uma cavidade óptica. Desta forma, quaisquer fótons que atinjam uma das partículas saltam entre os espelhos vários milhares de vezes antes de saírem da cavidade, levando a uma chance significativamente maior de que eles interajam com a outra partícula.

"Notavelmente, como as interações ópticas são mediadas pela cavidade, sua resistência não diminui com a distância, o que significa que podemos acoplar partículas em escala micrométrica ao longo de vários milímetros," disse Johannes Piotrowski, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH).

Ainda mais interessante para o aprimoramento do experimento, os pesquisadores demonstraram a possibilidade de ajustar ou controlar com precisão a força da interação entre fótons e partículas, o que pode ser feito variando as frequências do laser e a posição das partículas dentro da cavidade.

Interações de longo alcance mediadas pela cavidade óptica.
[Imagem: Jayadev Vijayan et al. - 10.1038/s41567-024-02405-3]

Uso em sensores

Estes resultados representam um salto significativo para a compreensão da física fundamental, mas também são promissores para aplicações práticas, particularmente na tecnologia de sensores, que podem ser usados para monitoramento ambiental e navegação sem conexão remota.

"A principal força dos sensores mecânicos levitados é sua alta massa em relação a outros sistemas quânticos que usam detecção. A grande massa os torna adequados para detectar forças gravitacionais e acelerações, resultando em melhor sensibilidade. Deste modo, os sensores quânticos podem ser utilizados em muitas aplicações diferentes em vários campos, tais como o monitoramento do gelo polar para investigação climática e a medição de acelerações para fins de navegação," disse o professor Carlos Ballestero, da Universidade Técnica de Viena, na Áustria.

Agora, a equipe planeja acrescentar técnicas de resfriamento quântico bem estabelecidas ao seu experimento, o que será necessário para validar o entrelaçamento quântico entre as partículas usadas, que são muito grandes em relação aos experimentos quânticos tradicionais. Se for bem-sucedido, conseguir o entrelaçamento quântico de nano e de micropartículas deverá diminuir a lacuna entre o mundo quântico e a mecânica clássica cotidiana.

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