Três esferas de vidro nano se agarram umas às outras. Elas formam um aglomerado em forma de torre, semelhante a quando se empilham três bolas de sorvete uma sobre a outra – só que muito menores. O diâmetro do aglomerado nano é dez vezes menor que o de um fio de cabelo humano. Com a ajuda de um dispositivo óptico e feixes de laser, pesquisadores da ETH Zurich conseguiram manter esses objetos quase completamente imóveis em levitação. Isso é significativo para o futuro desenvolvimento de sensores quânticos, que, juntamente com computadores quânticos, representam as aplicações mais promissoras da pesquisa quântica.
Como parte de seu experimento de levitação, os pesquisadores, liderados pelo professor adjunto de fotônica Martin Frimmer, conseguiram eliminar a força gravitacional que atuava sobre as esferas de vidro. No entanto, o objeto nano alongado ainda tremia, de maneira semelhante ao movimento da agulha de uma bússola enquanto se estabelece em uma posição. No caso do aglomerado nano, o movimento oscilatório era muito rápido, mas fraco: o objeto realizava cerca de um milhão de deflexões por segundo, cada uma medindo apenas alguns milésimos de grau. Essa diminuta oscilação rotacional é um movimento quântico fundamental exibido por todos os objetos e que os físicos chamam de flutuação de ponto zero. “De acordo com os princípios da mecânica quântica, nenhum objeto pode permanecer completamente parado,” explica Lorenzo Dania, um pós-doutorando do grupo de Frimmer e primeiro autor do estudo. “Quanto maior o objeto, menores essas flutuações de ponto zero, e mais difícil é observá-las.”
Vários recordes
Até o momento, ninguém havia conseguido detectar esses pequenos movimentos de um objeto dessa magnitude com tanta precisão quanto os pesquisadores da ETH agora o fizeram. Eles alcançaram isso porque conseguiram eliminar em grande parte todos os movimentos que se originam do campo da física clássica e ofuscam a observação dos movimentos quânticos. Os pesquisadores da ETH atribuem 92 por cento dos movimentos do aglomerado em seu experimento à física quântica e 8 por cento à física clássica; portanto, referem-se a um alto nível de pureza quântica. “Antes, não esperávamos alcançar um nível tão alto de pureza quântica,” explica Dania.
E os recordes não param por aí: os pesquisadores realizaram tudo isso à temperatura ambiente. Pesquisadores quânticos geralmente precisam resfriar seus objetos a uma temperatura próxima ao zero absoluto (-273 graus Celsius) usando equipamentos especiais. Isso não foi necessário aqui. Frimmer faz uma analogia: “É como se tivéssemos construído um novo veículo que transporta mais carga do que caminhões tradicionais e, ao mesmo tempo, consome menos combustível.”
Pequeno e enorme ao mesmo tempo
Enquanto muitos pesquisadores investigam efeitos quânticos em átomos individuais ou pequenos grupos, Frimmer e seu grupo estão entre aqueles que trabalham com objetos relativamente grandes. O aglomerado de nanosferas pode ser pequeno em termos do cotidiano, mas consiste em vários centenas de milhões de átomos, tornando-se enorme do ponto de vista de um físico quântico. O interesse por objetos dessa magnitude é em parte impulsionado pelas esperanças de futuras aplicações em tecnologia quântica, por exemplo. Tais aplicações exigem sistemas maiores que possam ser controlados utilizando os princípios da mecânica quântica.
Os pesquisadores conseguiram levitar suas nano partículas utilizando o que é conhecido como pinça óptica. Nesse processo, a partícula é colocada em um vácuo dentro de um recipiente transparente. Uma lente é usada para focalizar luz laser polarizada em um ponto dentro desse recipiente. Nesse ponto focal, a partícula se alinha com o campo elétrico do laser polarizado e, assim, permanece estável.
“Um começo perfeito”
“O que conseguimos é um começo perfeito para pesquisas futuras que um dia poderão contribuir para aplicações,” diz Frimmer. Para tais aplicações, é necessário um sistema com alta pureza quântica no qual todas as interferências externas possam ser suprimidas com sucesso e os movimentos controlados da maneira desejada, afirma, acrescentando que isso foi alcançado. Seria então possível detectar efeitos mecânicos quânticos, medi-los e usar o sistema para aplicações tecnológicas quânticas.
As possíveis aplicações incluem pesquisa básica em física para projetar experimentos que investiguem a relação entre gravidade e mecânica quântica. O desenvolvimento de sensores para medir forças minúsculas, como as de moléculas de gás ou até mesmo partículas elementares que atuam sobre o sensor, também é concebível. Isso seria útil na busca pela matéria escura. “Agora temos um sistema que é relativamente simples, econômico e bem adequado para esse propósito,” diz Frimmer.
Aplicações em navegação e medicina
No futuro distante, sensores quânticos também poderiam ser usados em imagens médicas. Espera-se que sejam capazes de detectar sinais fracos em ambientes onde dispositivos de medição normalmente captam principalmente ruído de fundo. Outra aplicação potencial poderia ser sensores de movimento que poderiam facilitar a navegação de veículos mesmo quando não há contato com um satélite GPS.
Para a maioria dessas aplicações, o sistema quântico precisaria ser miniaturizado. De acordo com os pesquisadores da ETH, isso é possível em princípio. De qualquer forma, eles encontraram uma maneira de alcançar o estado quântico controlável desejado sem resfriamento demorado, caro e intensivo em energia.
