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    Quebrando a lei de Newtons:intrigante movimento oscilatório para frente e para trás de uma partícula quântica

    Os físicos de Innsbruck observaram um intrigante movimento oscilatório para frente e para trás de uma partícula quântica em um gás atômico unidimensional. Crédito:Florian Meinert

    Uma maçã madura caindo de uma árvore inspirou Sir Isaac Newton a formular uma teoria que descreve o movimento de objetos sujeitos a uma força. As equações de movimento de Newton nos dizem que um corpo em movimento continua se movendo em linha reta, a menos que qualquer força perturbadora possa mudar seu caminho. O impacto das leis de Newton é onipresente em nossa experiência cotidiana, variando de um pára-quedista caindo no campo gravitacional da Terra, sobre a inércia que se sente em um avião em aceleração, para a Terra orbitando ao redor do sol.

    No mundo quântico, Contudo, nossa intuição para o movimento de objetos é fortemente contestada e às vezes pode até falhar completamente. Que tal imaginar uma bola de gude caindo na água, oscilando para cima e para baixo, em vez de apenas se mover direto para baixo? Soa estranho. Ainda, isso é o que o físico experimental de Innsbruck em colaboração com teóricos de Munique, Paris e Cambridge descobriram uma partícula quântica. No cerne desse comportamento surpreendente está o que os físicos chamam de "interferência quântica", o fato de que a mecânica quântica permite que as partículas se comportem como ondas, que podem somar ou cancelar um ao outro.

    Temperatura próxima do zero absoluto

    Para observar a partícula quântica oscilando para frente e para trás, a equipe teve que resfriar um gás de átomos de césio logo acima da temperatura zero absoluta e confiná-lo a um arranjo de tubos muito finos realizados por feixes de laser de alta potência. Por meio de um truque especial, os átomos foram feitos para interagir fortemente uns com os outros. Em tais condições extremas, os átomos formam um fluido quântico cujo movimento é restrito à direção dos tubos. Os físicos então aceleraram um átomo de impureza, que é um átomo em um estado de rotação diferente, através do gás. À medida que esta partícula quântica se movia, observou-se que ele espalha as partículas de gás e reflete para trás. Isso levou a um movimento oscilatório, em contraste com o que uma bola de gude faria ao cair na água. O experimento demonstra que as leis de Newton não podem ser usadas no reino quântico.

    Os fluidos quânticos às vezes agem como cristais

    O fato de que uma onda quântica pode ser refletida em certas direções é conhecido desde os primeiros dias do desenvolvimento da teoria da mecânica quântica. Por exemplo, elétrons refletem no padrão regular de cristais sólidos, como um pedaço de metal. Este efeito é denominado 'espalhamento de Bragg'. Contudo, a surpresa no experimento realizado em Innsbruck foi que nenhum desses cristais estava presente para que a impureza refletisse. Em vez de, era o próprio gás dos átomos que fornecia um tipo de ordem oculta em seu arranjo, uma propriedade que os físicos chamam de 'correlações'. O trabalho de Innsbruck demonstrou como essas correlações, em combinação com a natureza ondulatória da matéria, determinam o movimento das partículas no mundo quântico e levam a fenômenos novos e excitantes que se contrapõem às experiências de nossa vida diária.

    Compreender a estranheza da mecânica quântica também pode ser relevante em um escopo mais amplo, e ajudar a compreender e otimizar processos fundamentais em componentes eletrônicos, ou mesmo processos de transporte em sistemas biológicos complexos.

    O estudo está publicado na revista Ciência .

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