Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) resfriaram um objeto mecânico a uma temperatura mais baixa do que se pensava ser possível, abaixo do chamado "limite quântico".

A nova teoria e experimentos do NIST, descrito em 12 de janeiro, 2017, emissão de Natureza , mostraram que um tambor mecânico microscópico - uma membrana vibrante de alumínio - poderia ser resfriado a menos de um quinto de um único quantum, ou pacote de energia, menor do que normalmente previsto pela física quântica. A nova técnica teoricamente poderia ser usada para resfriar objetos até o zero absoluto, a temperatura na qual a matéria é desprovida de quase toda energia e movimento, Cientistas do NIST disseram.

"Quanto mais frio você consegue o tambor, melhor é para qualquer aplicação, "disse o físico do NIST John Teufel, quem conduziu o experimento. "Os sensores se tornariam mais sensíveis. Você pode armazenar informações por mais tempo. Se você as estivesse usando em um computador quântico, então você calcularia sem distorção, e você realmente obteria a resposta que deseja. "

"Os resultados foram uma surpresa completa para os especialistas na área, "O líder do grupo de Teufel e co-autor José Aumentado disse." É um experimento muito elegante que certamente terá muito impacto. "

O tambor, 20 micrômetros de diâmetro e 100 nanômetros de espessura, está embutido em um circuito supercondutor projetado para que o movimento do tambor influencie as microondas que saltam dentro de um invólucro oco conhecido como cavidade eletromagnética. As microondas são uma forma de radiação eletromagnética, então eles são, na verdade, uma forma de luz invisível, com um comprimento de onda mais longo e frequência mais baixa do que a luz visível.

A luz de microondas dentro da cavidade muda sua frequência conforme necessário para coincidir com a frequência na qual a cavidade ressoa naturalmente, ou vibra. Este é o tom natural da cavidade, "análogo ao tom musical que um copo cheio de água soa quando sua borda é esfregada com um dedo ou sua lateral é atingida com uma colher.

Os cientistas do NIST já resfriaram o tambor quântico ao seu "estado fundamental de menor energia", "ou um terço de um quantum. Eles usaram uma técnica chamada resfriamento de banda lateral, que envolve a aplicação de um tom de micro-ondas ao circuito em uma frequência abaixo da ressonância da cavidade. Este tom impulsiona a carga elétrica no circuito para fazer a batida do tambor. As batidas dos tambores geram partículas de luz, ou fótons, que naturalmente correspondem à maior frequência de ressonância da cavidade. Esses fótons vazam para fora da cavidade à medida que ela se enche. Cada fóton que parte leva consigo uma unidade mecânica de energia - um fônon - do movimento do tambor. Esta é a mesma ideia do resfriamento a laser de átomos individuais, demonstrado pela primeira vez no NIST em 1978 e agora amplamente utilizado em aplicações como relógios atômicos.

O último experimento do NIST adiciona uma nova reviravolta - o uso de "luz comprimida" para conduzir o circuito da bateria. Espremer é um conceito de mecânica quântica em que o ruído, ou flutuações indesejadas, é movido de uma propriedade útil da luz para outro aspecto que não afeta o experimento. Essas flutuações quânticas limitam as temperaturas mais baixas que podem ser alcançadas com as técnicas convencionais de resfriamento. A equipe do NIST usou um circuito especial para gerar fótons de microondas que foram purificados ou desprovidos de flutuações de intensidade, que reduziu o aquecimento inadvertido do tambor.

"O ruído dá chutes aleatórios ou aquece a coisa que você está tentando esfriar, "Teufel disse." Estamos comprimindo a luz em um nível 'mágico' - em uma direção e quantidade muito específicas - para fazer fótons perfeitamente correlacionados com intensidade mais estável. Esses fótons são frágeis e poderosos. "

A teoria e os experimentos do NIST indicam que a luz comprimida remove o limite de resfriamento geralmente aceito, Disse Teufel. Isso inclui objetos que são grandes ou operam em baixas frequências, quais são os mais difíceis de resfriar.

O tambor pode ser usado em aplicações como computadores quânticos híbridos combinando elementos quânticos e mecânicos, Disse Teufel. Um tema quente na pesquisa de física em todo o mundo, os computadores quânticos poderiam teoricamente resolver certos problemas considerados intratáveis ​​hoje.