Quais são os limites da física quântica? Esta é uma pergunta que tem sido pesquisada em todo o mundo por décadas. Para que possamos tornar as propriedades do mundo quântico tecnicamente utilizáveis, precisamos entender se objetos que são significativamente maiores que átomos e moléculas também podem exibir fenômenos quânticos.
Por exemplo, esferas de vidro pequenas com um diâmetro de cem nanômetros podem ser examinadas – ainda mais de mil vezes menores que um grão de areia, mas grandes em padrões quânticos. Durante anos, foram feitas tentativas para demonstrar até que ponto tais esferas ainda exibem propriedades quânticas. Um grupo de pesquisa do ETH Zurich, com apoio teórico da TU Wien (Viena), alcançou agora um avanço: conseguiram mostrar que as vibrações rotacionais de tais partículas se comportam de acordo com a física quântica, não apenas quando resfriadas a praticamente zero absoluto usando métodos complexos de resfriamento, mas até mesmo à temperatura ambiente.
Quanta de vibração: apenas certos balanços são permitidos
“Uma partícula microscópica sempre oscilará um pouco,” diz Carlos Gonzalez-Ballestero do Instituto de Física Teórica da TU Wien. “Essa oscilação depende da temperatura e de como a partícula é influenciada pelo seu ambiente.”
No cotidiano, assumimos que qualquer tipo de oscilação é possível. O pêndulo de um relógio, por exemplo, pode ser balançado em qualquer ângulo, e pode ser colocado em oscilação um pouco mais forte ou um pouco mais fraco – como você deseja. No mundo quântico, no entanto, as coisas são diferentes: ao observar oscilações com energia muito baixa, descobrimos que existem “quanta de oscilação” muito específicos.
Há uma vibração mínima, conhecida como “estado fundamental”, uma vibração um pouco mais alta que carrega um pouco mais de energia (o “primeiro estado excitado”), e assim por diante. Não há estado intermediário, mas a partícula pode existir em uma combinação quântica de diferentes estados de vibração – este é um dos conceitos centrais da física quântica.
“É muito difícil colocar uma nanopartícula em um estado onde suas propriedades quânticas se tornem aparentes,” afirma Carlos Gonzalez-Ballestero. “É necessário deixar a partícula flutuar para isolá-la de qualquer interferência o máximo possível. E normalmente também é preciso garantir temperaturas extremamente baixas, próximas do zero absoluto, que é menos 273,15 graus Celsius.”
A rotação congela, a partícula permanece quente
O ETH Zurich e a TU Wien desenvolveram agora uma técnica que permite que um aspecto muito específico da nanopartícula seja colocado em um estado físico quântico, mesmo que a partícula em si esteja em um estado quente e desordenado.
<p"'Utilizamos uma nanopartícula que não é perfeitamente redonda, mas ligeiramente elíptica,' explica Carlos Gonzalez-Ballestero. 'Quando você segura essa partícula em um campo eletromagnético, ela começa a girar. Nossa pergunta foi: Podemos ver as propriedades quânticas dessa vibração rotacional? Podemos extrair energia desse movimento rotacional até que ele esteja principalmente no estado quântico de base?'
Feixes de laser e sistemas de espelhos foram utilizados para esse fim. ‘O laser pode ou fornecer energia para a nanopartícula ou retirar energia dela,” explica Carlos Gonzalez-Ballestero. ‘Ajustando os espelhos de maneira adequada, é possível garantir que a energia seja extraída com alta probabilidade e que apenas uma baixa probabilidade de energia seja adicionada. A energia do movimento rotacional, assim, diminui até que nos aproximemos do estado de base quântico.’
No entanto, para alcançar isso, uma série de problemas teóricos difíceis teve que ser resolvida – o ruído quântico dos lasers teve que ser corretamente compreendido e controlado.
Pureza quântica recorde
Finalmente, foi realmente possível demonstrar que a rotação pode ser trazida para um estado que corresponde quase exclusivamente ao estado de base mecânico quântico. O surpreendente é que a nanopartícula não esfriou – pelo contrário, na verdade, ela está a várias centenas de graus de temperatura.
“Você deve considerar diferentes graus de liberdade separadamente,” explica Carlos Gonzalez-Ballestero. “Isso permite que a energia do movimento rotacional seja reduzida de forma muito eficaz sem que a energia térmica interna da nanopartícula precise ser reduzida ao mesmo tempo. Surpreendentemente, a rotação pode congelar, por assim dizer, mesmo que a partícula em si tenha uma temperatura alta.”
Isso possibilitou criar um estado que é significativamente ‘mais puro’ em termos de física quântica do que foi anteriormente possível com partículas semelhantes – mesmo que o resfriamento não tenha sido necessário. “Esta é uma maneira tecnicamente impressionante e prática de expandir os limites da física quântica,” diz Carlos Gonzalez-Ballestero. “Agora podemos estudar as propriedades quânticas de objetos de uma forma estável e confiável, o que antes era quase impossível.”
