Quando um engarrafamento não é um engarrafamento? Quando é um engarrafamento quântico, claro. Somente na física quântica o tráfego pode ficar parado e se mover ao mesmo tempo.

Um novo artigo teórico de cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Maryland sugere que criar intencionalmente esse engarrafamento de um anel de vários milhares de átomos ultracold pode permitir medições precisas de movimento. Se implementado com a configuração experimental certa, os átomos podem fornecer uma medição da gravidade, possivelmente até mesmo em distâncias tão curtas quanto 10 micrômetros - cerca de um décimo da largura de um fio de cabelo humano.

Embora os autores enfatizem que ainda há muito trabalho a ser feito para mostrar que tal medição seria alcançável, a recompensa potencial seria um esclarecimento da atração da gravidade em escalas de comprimento muito curtas. As anomalias podem fornecer pistas importantes sobre o comportamento da gravidade, incluindo por que nosso universo parece estar se expandindo em uma taxa acelerada.

Além de potencialmente responder a questões fundamentais profundas, esses anéis de átomo podem ter aplicações práticas, também. Eles podem levar a sensores de movimento muito mais precisos do que anteriormente possível, ou servir como interruptores para computadores quânticos, com 0 representado por travamento atômico e 1 pelo tráfego de átomo em movimento.

Os autores do artigo são afiliados ao Joint Quantum Institute e ao Joint Center for Quantum Information and Computer Science, ambos são parcerias entre o NIST e a Universidade de Maryland.

Nas últimas duas décadas, os físicos exploraram um estado exótico da matéria chamado condensado de Bose-Einstein (BEC), que existe quando os átomos se sobrepõem uns aos outros em temperaturas frias a um centímetro de distância do zero absoluto. Sob estas condições, uma pequena nuvem de átomos pode essencialmente se tornar um grande superátomo quântico, "permitindo que os cientistas explorem propriedades potencialmente úteis como supercondutividade e superfluidez com mais facilidade.

Os físicos teóricos Stephen Ragole e Jake Taylor, os autores do artigo, sugeriram agora que uma variação da ideia de BEC poderia ser usada para detectar a rotação ou mesmo explorar a gravidade em distâncias curtas, onde outras forças, como o eletromagnetismo, geralmente superam os efeitos da gravidade. A ideia é usar feixes de laser - já comumente usados ​​para manipular átomos frios - para unir alguns milhares de átomos em um anel de 10 a 20 micrômetros de diâmetro.

Uma vez que o anel é formado, os lasers iriam movê-lo suavemente, fazendo os átomos circularem em torno dele como carros viajando um após o outro por um anel viário de faixa única. E assim como os pneus dos carros giram enquanto viajam ao longo do asfalto, as propriedades dos átomos captariam a influência do mundo ao seu redor - incluindo os efeitos da gravidade de massas a apenas alguns micrômetros de distância.

O anel tiraria vantagem de um dos comportamentos contra-intuitivos da mecânica quântica para ajudar os cientistas a realmente medir o que seus átomos captam sobre a gravidade. Os lasers podem agitar os átomos no que é chamado de "superposição, "significando que, na verdade, eles estariam circulando ao redor do anel e simultaneamente em uma paralisação. Essa superposição de fluxo e travamento ajudaria a manter as relações entre os átomos do anel por alguns milissegundos cruciais após a remoção de suas restrições de laser, tempo suficiente para medir suas propriedades antes que se espalhem.

Este congestionamento quântico não só pode superar um difícil desafio de medição da gravidade, mas pode ajudar os físicos a descartar algumas das muitas teorias concorrentes sobre o universo - potencialmente ajudando a esclarecer um antigo engarrafamento de ideias.

Um dos grandes mistérios do cosmos é por que ele está se expandindo a uma taxa aparentemente acelerada. Os físicos sugeriram uma força externa, apelidado de "energia escura, "causa essa expansão, mas ainda não descobriram sua origem. Uma entre muitas teorias é que no vácuo do espaço, partículas virtuais de vida curta aparecem constantemente e desaparecem da existência, e sua repulsão mútua cria os efeitos da energia escura. Embora seja uma explicação razoável em alguns níveis, os físicos calculam que essas partículas criariam tanta força repulsiva que explodiriam imediatamente o universo. Então, como eles podem reconciliar observações com a ideia de partícula virtual?

"Uma possibilidade é que a estrutura básica do espaço-tempo responda apenas a partículas virtuais que estão separadas por mais de alguns micrômetros, "Taylor disse, "e esse é exatamente o tipo de separação que poderíamos explorar com este anel de átomos frios. Então, se descobrirmos que você pode ignorar o efeito das partículas que operam nessas escalas de comprimento curto, você pode explicar grande parte dessa energia repulsiva não observada. Estaria lá, simplesmente não afetaria nada em uma escala cósmica. "

A pesquisa aparece no jornal Cartas de revisão física .