A interferometria atômica é a técnica mais sensível conhecida para medir as forças gravitacionais e as forças inerciais, como aceleração e rotação. É um pilar da pesquisa científica e está sendo comercializado como meio de rastreamento de localização em ambientes onde o GPS não está disponível. Também é extremamente sensível a campos elétricos e tem sido usado para fazer medições minuciosas das propriedades elétricas fundamentais dos elementos.

Os interferômetros de átomo mais sensíveis usam estados exóticos da matéria chamados condensados ​​de Bose-Einstein. Na última edição da Cartas de revisão física , Os pesquisadores do MIT apresentam uma maneira de tornar a interferometria atômica com condensados ​​de Bose-Einstein ainda mais precisa, eliminando uma fonte de erro endêmica de projetos anteriores.

Os interferômetros usando o novo design podem ajudar a resolver algumas questões fundamentais da física, como a natureza dos estados intermediários entre a descrição quântica da matéria, que prevalece em escalas muito pequenas, e a descrição newtoniana da qual a engenharia cotidiana depende.

"A ideia aqui é que os condensados ​​de Bose-Einstein são realmente muito grandes, "diz William Burton, um estudante de pós-graduação em física do MIT e primeiro autor do artigo. "Nós sabemos que coisas muito pequenas agem quânticas, mas coisas grandes como você e eu não são muito quânticas. Portanto, podemos ver o quão distantes podemos estender um sistema quântico e ainda fazê-lo agir de forma coerente quando o juntarmos novamente. É uma pergunta interessante. "

Juntando-se a Burton no jornal estão seu conselheiro, professor de física Wolfgang Ketterle, que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2001 por seu trabalho pioneiro com condensados ​​de Bose-Einstein, e quatro outros membros do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, que Ketterle dirige.

Fragmentando condensados

Os condensados ​​de Bose-Einstein são aglomerados de átomos que, quando resfriado quase a zero absoluto, todos habitam exatamente o mesmo estado quântico. Isso dá a eles uma série de propriedades incomuns, entre eles extrema sensibilidade à perturbação por forças externas.

Uma abordagem comum para construir um interferômetro de condensado de Bose-Einstein envolve suspender uma nuvem de átomos - o condensado - em uma câmara e, em seguida, disparar um feixe de laser para produzir uma "onda estacionária". Se uma onda é considerada um rabisco com depressões e cristas regulares, então, uma onda estacionária é produzida quando uma onda está exatamente alinhada com seu reflexo. Os pontos zero - os pontos de transição entre o vale e a crista - da onda e seu reflexo são idênticos.

A onda estacionária divide o condensado em grupos de átomos de tamanhos aproximadamente iguais, cada um seu próprio condensado. No experimento dos pesquisadores do MIT, por exemplo, a onda estacionária divide-se em cerca de 20, 000 átomos de rubídio em 10 grupos de cerca de 2, 000, cada um suspenso em um "poço" entre dois pontos zero da onda estacionária.

Quando forças externas atuam no condensado, a armadilha de laser impede que eles se movam. Mas quando o laser é desligado, os condensados ​​se expandem, e sua energia reflete as forças a que foram submetidos. Brilhar uma luz através da nuvem de átomos produz um padrão de interferência a partir do qual essa energia, e, portanto, a força que os condensados ​​experimentaram, pode ser calculado.

Esta técnica produziu as medições mais precisas das forças gravitacionais e inerciais já registradas. Mas tem um problema:a divisão do condensado em aglomerados separados não é perfeitamente uniforme. Um poço da onda estacionária pode conter, dizer, 1, 950 átomos, e o próximo a ele 2, 050. Este desequilíbrio produz diferenças de energia entre os poços que introduzem erros na medição de energia final, limitando sua precisão.

Ato de equilíbrio

Para resolver este problema, Burton, Ketterle, e seus colegas usam não um, mas dois condensados ​​como ponto de partida para seu interferômetro. Além de prender os condensados ​​com um laser, eles também os sujeitam a um campo magnético.

Ambos os condensados ​​consistem em átomos de rubídio, mas eles têm diferentes "spins, "uma propriedade quântica que descreve seu alinhamento magnético. A onda estacionária separa os dois grupos de átomos, mas apenas um deles - os átomos de spin-down - sente o campo magnético. Isso significa que os átomos do outro grupo - os átomos de spin-up - estão livres para se moverem de poço em poço da onda estacionária.

Uma vez que um excesso relativo de átomos de spin-down em um poço dá a ele um ligeiro aumento de energia, ele vai jogar alguns de seus átomos spin-up nos poços vizinhos. Os átomos de spin-up se misturam na onda estacionária até que cada poço tenha exatamente o mesmo número de átomos. No final do processo, quando as energias dos átomos são lidas, os átomos de spin para cima corrigem os desequilíbrios entre os átomos de spin para baixo.

Os condensados ​​de Bose-Einstein são interessantes porque exibem efeitos quânticos de escala relativamente grande, e descrições quânticas de sistemas físicos geralmente refletem a dualidade onda-partícula - o fato de que, em escalas pequenas o suficiente, a matéria exibirá comportamentos característicos tanto de partículas quanto de ondas. Os condensados ​​nos experimentos dos pesquisadores do MIT podem, portanto, ser pensados ​​como ondas, com seus próprios comprimentos de onda, amplitudes, e fases.

Para fazer interferometria atômica, os aglomerados de átomos capturados pelo laser devem estar todos em fase, o que significa que os vales e cristas de suas ondas estão alinhados. Os pesquisadores mostraram que seu método de "blindagem" manteve os condensados ​​em fase por muito mais tempo do que era possível anteriormente, que deve melhorar a precisão da interferometria atômica.

"Uma das grandes expectativas para condensados ​​de Bose-Einstein [BECs], que foi destacado na citação do Nobel, era que levariam a inscrições, "diz Dominik Schneble, professor associado de física na Stony Brook University. "E uma dessas aplicações é a interferometria atômica."

"Mas as interações entre BECs basicamente dão origem à defasagem, que não pode ser muito bem controlado, "Schneble diz." Uma abordagem tem sido desligar as interações. Em certos elementos, pode-se fazer isso muito bem. Mas não é uma propriedade universal. O que eles estão fazendo neste artigo é que estão dizendo:'Aceitamos o fato de que as interações existem, mas estamos usando interações de forma que não só não seja um problema, mas também resolva outros problemas. ' É muito elegante e muito inteligente. Ela se encaixa na situação como uma luva natural. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.