A mecânica quântica dita limites de sensibilidade nas medições de deslocamento, velocidade e aceleração. Um experimento recente no Instituto Niels Bohr investiga esses limites, analisar como as flutuações quânticas colocam uma membrana sensora em movimento no processo de uma medição. A membrana é um modelo preciso para futuros sensores quânticos ultraprecisos, cuja natureza complexa pode até conter a chave para superar os limites quânticos fundamentais. Os resultados são publicados na prestigiosa revista científica, Proceedings of the National Academy of Sciences .

Cordas e membranas vibratórias estão no coração de muitos instrumentos musicais. Arrancar uma corda excita-o com as vibrações, em uma frequência determinada por seu comprimento e tensão. Além da frequência fundamental - correspondente à nota musical - a corda também vibra em frequências mais altas. Esses tons influenciam como percebemos o "som" do instrumento, e nos permitem distinguir uma guitarra de um violino. De forma similar, bater na pele do tambor excita vibrações em várias frequências simultaneamente.

Essas questões não são diferentes na redução, do bumbo de meio metro em uma orquestra clássica à membrana de meio milímetro estudada recentemente no Instituto Niels Bohr. E ainda, algumas coisas não são as mesmas de forma alguma:usando técnicas sofisticadas de medição óptica, uma equipe liderada pelo professor Albert Schliesser poderia mostrar que as vibrações da membrana, incluindo todos os seus tons, siga as estranhas leis da mecânica quântica. Em seu experimento, essas leis quânticas implicam que a mera tentativa de medir com precisão as vibrações da membrana o põe em movimento. Como se olhar para um tambor já o fizesse zumbir!

Um 'tambor' com muitos tons

Embora a membrana investigada pela equipe do Instituto Niels Bohr possa ser vista a olho nu, os pesquisadores usaram um laser para rastrear com precisão o movimento da membrana. E isso realmente revela uma série de ressonâncias de vibração, todos os quais são medidos simultaneamente. Suas frequências estão na faixa de Megahertz, cerca de mil vezes mais alto do que as ondas sonoras que ouvimos, essencialmente porque a membrana é muito menor do que um instrumento musical. Mas as analogias continuam:assim como um violino soa diferente dependendo de onde a corda é tocada (sul tasto vs sul ponticello), os pesquisadores puderam dizer pelo espectro de tons em que local sua membrana foi excitada pelo feixe de laser.

Ainda, observando os efeitos quânticos sutis nos quais os pesquisadores estavam mais interessados, exigiu mais alguns truques. Albert Schliesser explica:"Pela primeira vez, existe o problema da perda de energia vibracional, levando ao que chamamos de decoerência quântica. Pense assim:em um violino, você fornece um corpo de ressonância, que capta as vibrações das cordas e as transforma em ondas sonoras transportadas pelo ar. Isso é o que você ouve. Tínhamos que conseguir exatamente o oposto:confinar as vibrações apenas à membrana, para que possamos seguir seu movimento quântico imperturbado pelo maior tempo possível. Para isso tivemos que desenvolver um 'corpo' especial que não pode vibrar nas frequências da membrana ”.

Isso foi conseguido por um chamado cristal fonônico, um padrão regular de orifícios que exibe um intervalo fonônico, isso é, uma banda de frequências na qual a estrutura não pode vibrar. Yeghishe Tsaturyan, um aluno de doutorado da equipe, percebeu uma membrana com um corpo tão especial nas instalações de nanofabricação Danchip em Lyngby.

Um segundo desafio consiste em fazer medições suficientemente precisas. Usando técnicas da área de Optomecânica, que é a especialidade de Schliesser, a equipe criou um experimento dedicado no Instituto Niels Bohr, com base em um laser feito sob medida para suas necessidades, e um par de espelhos altamente refletivos entre os quais a membrana está disposta. Isso permitiu que eles resolvessem vibrações com amplitudes muito menores do que o raio de um próton (1 femtômetro).

"Fazer medições tão sensíveis não é fácil, em particular porque as bombas e outros equipamentos de laboratório vibram com amplitudes muito maiores. Portanto, temos que garantir que isso não apareça em nosso registro de medição, "acrescenta o aluno de doutorado William Nielsen.

Vácuo bate o tambor

No entanto, é exatamente na faixa de medições de ultraprecisão que fica interessante. Então, isso começa a importar, de acordo com a mecânica quântica, o processo de medição do movimento também o influencia. No experimento, esta 'retracção da medição quântica' é causada pelas inevitáveis ​​flutuações quânticas da luz laser. Na estrutura da óptica quântica, estes são causados ​​por flutuações quânticas do campo eletromagnético no espaço vazio (vácuo). Por mais estranho que pareça, este efeito deixou assinaturas claras nos dados dos experimentos do Niels Bohr Institute, a saber, fortes correlações entre as flutuações quânticas da luz, e o movimento mecânico medido pela luz.

"Observar e quantificar essas flutuações quânticas é importante para entender melhor como elas podem afetar as medições mecânicas de ultraprecisão - isto é, medições de deslocamento, velocidade ou aceleração. E aqui, a natureza multimodo da membrana entra em jogo:não é apenas uma representação mais precisa dos sensores do mundo real. Também pode conter a chave para superar alguns dos limites quânticos tradicionais para a precisão de medição com esquemas mais sofisticados, explorando correlações quânticas ", Albert Schliesser diz e acrescenta:que no longo prazo, experimentos quânticos com objetos mecânicos cada vez mais complexos também podem fornecer uma resposta à pergunta por que nunca observamos um bumbo em uma superposição quântica (ou faremos?).