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A física quântica e a engenharia mecânica uniram-se num método inovador que permite o controle de fenómenos quânticos à temperatura ambiente, de acordo com as conclusões de um novo estudo pioneiro.
Na mecânica quântica, a observação e o controle dos fenômenos quânticos tradicionalmente só ocorrem sob condições em que as temperaturas se aproximam do zero absoluto. Teoricamente, a temperatura mais fria atingível e aproximadamente equivalente a cerca de -459,67 Fahrenheit, o zero absoluto é o ponto em que a matéria se torna tão fria que o movimento das partículas cessaria.
Embora permita uma detecção mais fácil de efeitos quânticos, atingir temperaturas tão frias não é fácil e tem aplicações e estudos limitados envolvendo tecnologias quânticas.
“Alcançar o regime de optomecânica quântica à temperatura ambiente tem sido um desafio aberto há décadas”, diz Tobias J. Kippenberg, coautor de um novo estudo que, com base nas suas descobertas, poderá finalmente apresentar formas práticas de superar tais desafios.
Segundo Kippenberg, o novo trabalho trouxe o que os físicos chamam Microscópio de Heisenberg– antes apenas realizado como um modelo teórico – na realidade.
A nova pesquisa, em coautoria com o colega de Kippenberg, Nils Johan Engelsen, foi o foco de um novo estudo publicado na revista Natureza.
Em seu experimento, a equipe conseguiu produzir um novo sistema optomecânico de ruído ultrabaixo que permitiu estudos sobre a convergência da luz e do movimento mecânico e permitiu à equipe examinar a influência da luz em objetos em movimento por meio de sua manipulação precisa.
Tentar conseguir isso à temperatura ambiente sempre foi difícil devido ao ruído térmico, o calor que surge do movimento das partículas, e impede as observações da dinâmica do mundo quântico.
Para superar o problema do ruído térmico, Kippenberg e Engelsen usaram espelhos especiais que refletem a luz para frente e para trás dentro de um pequeno espaço, conhecidos como espelhos de cavidade, para capturar fótons de maneira eficaz. Apresentando padrões compostos por estruturas cristalinas fotônicasos espelhos de cavidade permitiram que a luz que eles “aprisionaram” fosse manipulada para interagir com os elementos mecânicos do sistema.
“Ao usar espelhos de cavidade com padrão de cristal fonônico, reduzimos o ruído de frequência da cavidade em mais de 700 vezes”, escrevem os autores do estudo em um artigo recente que descreve suas descobertas.
“Nesta cavidade de ruído ultrabaixo, inserimos um ressonador de membrana com alta condutância térmica e fator de qualidade (P) de 180 milhões, projetado usando técnicas de fixação suave recentemente desenvolvidas”, relatam os autores.
O experimento também empregou um minúsculo oscilador mecânico para interagir com a luz dentro da cavidade “presa” entre os espelhos. Usando este método inteligente de isolamento, fenômenos quânticos sutis puderam ser discernidos mesmo à temperatura ambiente.
O oscilador mecânico que usaram foi “o culminar de muitos anos de esforço”, segundo Engelsen, que disse que lhes permitiu “criar osciladores mecânicos bem isolados do ambiente”.
Entre as conquistas do estudo também estava o uso bem-sucedido de um fenômeno conhecido como compressão óptica, que aproveita o princípio de Heisenberg ao manipular a fase, a intensidade ou outras propriedades da luz de maneiras que ajudam a diminuir a quantidade de flutuação que ocorre dentro de uma determinada variável. o que aumenta as flutuações em outro.
Na sua experiência, a obtenção da compressão óptica sob tais condições permitiu à equipa mostrar que o controlo e a observação de fenómenos quânticos num sistema macroscópico poderiam de facto ser alcançados à temperatura ambiente.
“O sistema que desenvolvemos pode facilitar novos sistemas quânticos híbridos onde o tambor mecânico interage fortemente com diferentes objetos, como nuvens de átomos aprisionadas”, disse Alberto Beccari, principal autor do novo estudo.
“Esses sistemas são úteis para informações quânticas e nos ajudam a entender como criar estados quânticos grandes e complexos”, acrescentou Beccari.
Muitas aplicações potenciais poderiam resultar da nova pesquisa, que poderia incluir uma ampliação do acesso a sistemas optomecânicos quânticos, o que poderia ajudar a facilitar a medição quântica e a mecânica quântica em escalas macroscópicas.
O novo papel“Optomecânica quântica à temperatura ambiente usando uma cavidade de ruído ultrabaixo”, por Guanhao Huang, Alberto Beccari, Nils J. Engelsen e Tobias J. Kippenberg, foi publicado em 14 de fevereiro de 2024, na revista Natureza.
Micah Hanks é o editor-chefe e cofundador do The Debrief. Ele pode ser contatado por e-mail em micah@thedebrief.org. Acompanhe seu trabalho em micahhanks.com e em X: @MicahHanks.
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