Revelar os efeitos quânticos no nível dos átomos e partículas elementares é uma tarefa difícil e difícil. É sempre melhor compreender o que pode ser observado e medido com precisão. Idealmente, é necessário fazer com que os efeitos quânticos ocorram no nível macro – no nível da física clássica. Pesquisadores da ETH Zurich resolveram esse problema e conseguiram.
O ponto verde no centro é a nanosfera de vidro. Fonte da imagem: ETH Zurique
Recentemente, em um artigo publicado na revista Nature, um grupo de autores liderados pelo professor de fotônica da ETH Zurich Lukas Novotny (Lukas Novotny) relatou um experimento quântico com uma nanosfera de vidro com um diâmetro de 100 nm. É um objeto de nosso mundo macroscópico nativo, embora seja centenas de vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Ao mesmo tempo, uma pequena bola de vidro contém dez milhões de átomos e não pode (e não deve) exibir efeitos quânticos. Mas os cientistas criaram condições de bola de vidro sob as quais ela pode se comportar como um elétron ou um único átomo. Em particular, uma bola pode se comportar como uma onda, e não apenas como uma partícula, e esse fenômeno pode ser observado quase com os próprios olhos.
O desafio para os pesquisadores era desacelerar a bola de vidro como uma coleção de todos os átomos até o estado quântico com a energia mais baixa. Nesse estado, as partículas permanecem estáveis e permitem a observação das propriedades das ondas. Para isso, a bola foi colocada em uma câmara de vácuo e resfriada a uma temperatura de 269 ° C abaixo de zero. O movimento térmico dos átomos na esfera diminuiu significativamente, mas para a bola manifestar efeitos quânticos, é necessário um resfriamento mais forte, com o qual os pesquisadores ainda não conseguiram lidar.
Nesse ínterim, os cientistas testaram a possibilidade de desacelerar a nanosfera usando ondas eletromagnéticas. Em um estado suspenso no vácuo, a nanosfera é mantida em uma armadilha óptica criada por um feixe de laser. Outro feixe permite medir com precisão as oscilações da nanosfera, e o feedback dos eletrodos permite ativar os campos eletromagnéticos em momentos específicos para amortecer os movimentos oscilatórios da esfera. Algo assim na vida cotidiana, balançamos ou desaceleramos uma oscilação – criamos um impulso de aceleração ou frenagem nos momentos de tempo necessários para resolver o problema.
A nanosfera em uma armadilha de laser pode ser desacelerada para o aparecimento de efeitos quânticos. Fonte da imagem: ETH Zurique
Se os cientistas puderem desacelerar a nanosfera para o estado quântico com a energia mais baixa, o que dará à bola propriedades mecânicas quânticas, então será uma questão pequena. Existem experimentos de dupla fenda testados pela física que exibem funções de onda de partículas. Em tais experimentos, elétrons ou átomos parecem estar em dois lugares ao mesmo tempo, exibindo propriedades de onda. Na verdade, estamos falando sobre o fenômeno da interferência, quando diferentes partes da onda passam por duas fendas espaçadas e criam uma imagem característica na saída. Os cientistas esperam ver uma imagem semelhante em um experimento com uma nanosfera de vidro, que será a evidência de um fenômeno quântico no nível macro.
Experiência clássica de dupla fenda. Fonte da imagem: Wikipedia
Acrescentemos que ainda hoje esses experimentos, que não foram concluídos até o fim, têm um potencial enorme. Com base nessas nanoesferas e fenômenos quase quânticos, é possível criar sensores de aceleração e deslocamento que rastrearão o movimento de objetos com mais precisão do que todos os GPS combinados. Os militares gostam especialmente disso, mas isso é outra história.