O mundo de um átomo é um mundo de caos e calor aleatórios. Em temperatura ambiente, uma nuvem de átomos é uma confusão frenética, com átomos passando rapidamente uns pelos outros e colidindo, mudando constantemente sua direção e velocidade.

Esses movimentos aleatórios podem ser retardados, e até mesmo parou completamente, resfriando drasticamente os átomos. Com um cabelo acima do zero absoluto, átomos anteriormente frenéticos se transformam em um estado quase semelhante ao de um zumbi, movendo-se como uma formação semelhante a uma onda, em uma forma quântica de matéria conhecida como condensado de Bose-Einstein.

Desde que os primeiros condensados ​​de Bose-Einstein foram produzidos com sucesso em 1995 por pesquisadores no Colorado e por Wolfgang Ketterle e colegas do MIT, cientistas têm observado suas estranhas propriedades quânticas a fim de obter informações sobre uma série de fenômenos, incluindo magnetismo e supercondutividade. Mas o resfriamento de átomos em condensados ​​é lento e ineficiente, e mais de 99 por cento dos átomos na nuvem original são perdidos no processo.

Agora, Os físicos do MIT inventaram uma nova técnica para resfriar átomos em condensados, que é mais rápido do que o método convencional e conserva uma grande fração dos átomos originais. A equipe usou um novo processo de resfriamento a laser para resfriar uma nuvem de átomos de rubídio desde a temperatura ambiente até 1 microkelvin, ou menos de um milionésimo de grau acima do zero absoluto.

Com esta técnica, a equipe foi capaz de resfriar 2, 000 átomos, e a partir disso, gerar um condensado de 1, 400 átomos, conservando 70 por cento da nuvem original. Seus resultados são publicados hoje na revista. Ciência .

"As pessoas estão tentando usar condensados ​​de Bose-Einstein para entender o magnetismo e a supercondutividade, bem como usá-los para fazer giroscópios e relógios atômicos, "diz Vladan Vuletić, o Lester Wolfe Professor de Física no MIT. "Nossa técnica pode começar a acelerar todas essas investigações."

Vuletić é o autor sênior do artigo, que também inclui o primeiro autor e assistente de pesquisa Jiazhong Hu, bem como Zachary Vendeiro, Valentin Crépel, Alban Urvoy, e Wenlan Chen.

"Uma pequena fração e uma grande desvantagem"

Os cientistas criaram convencionalmente condensados ​​de Bose-Einstein por meio de uma combinação de resfriamento a laser e resfriamento evaporativo. O processo geralmente começa com feixes de laser brilhando de várias direções em uma nuvem de átomos. Os fótons no feixe agem como pequenas bolas de pingue-pongue, quicando muito maior, átomos do tamanho de um basquete, e diminuindo um pouco a velocidade em cada colisão. Os fótons do laser também atuam para comprimir a nuvem de átomos, limitando seu movimento e resfriando-os no processo. Mas os pesquisadores descobriram que há um limite para o quanto um laser pode resfriar átomos:quanto mais densa uma nuvem se torna, quanto menos espaço houver para os fótons se espalharem; em vez disso, eles começam a gerar calor.

Neste ponto do processo, os cientistas normalmente desligam a luz e mudam para o resfriamento evaporativo, que Vuletić descreve como "como resfriar uma xícara de café - você apenas espera que os átomos mais quentes escapem". Mas este é um processo lento que, no final das contas, remove mais de 99% dos átomos originais para reter os átomos que estão frios o suficiente para se transformarem em condensados ​​de Bose-Einstein.

"No fim, você tem que começar com mais de 1 milhão de átomos para obter um condensado que consiste em apenas 10, 000 átomos, "Vuletić diz." Essa é uma pequena fração e uma grande desvantagem. "

Ajustando uma reviravolta

Vuletić e seus colegas encontraram uma maneira de contornar as limitações iniciais do resfriamento a laser, para resfriar átomos em condensados ​​usando luz laser do início ao fim - muito mais rápido, abordagem de conservação de átomos que ele descreve como um "sonho de longa data" entre os físicos da área.

"O que inventamos foi uma nova torção no método para fazê-lo funcionar em altas densidades [atômicas], "Vuletić diz.

Os pesquisadores empregaram técnicas convencionais de resfriamento a laser para resfriar uma nuvem de átomos de rubídio até um pouco acima do ponto em que os átomos se tornam tão comprimidos que os fótons começam a aquecer a amostra.

Eles então mudaram para um método conhecido como resfriamento Raman, em que eles usaram um conjunto de dois feixes de laser para resfriar ainda mais os átomos. Eles ajustaram o primeiro feixe para que seus fótons, quando absorvido por átomos, transformou a energia cinética dos átomos em energia magnética. Os átomos, em resposta, desacelerou e esfriou ainda mais, enquanto ainda mantém sua energia total original.

A equipe, então, apontou um segundo laser para a nuvem muito comprimida, que foi sintonizado de tal forma que os fótons, quando absorvido pelos átomos mais lentos, removeu a energia total dos átomos, resfriando-os ainda mais.

"Em última análise, os fótons tiram a energia do sistema em um processo de duas etapas, "Vuletić diz." Em uma etapa, você remove a energia cinética, e na segunda etapa, você remove a energia total e reduz a desordem, o que significa que você esfriou. "

Ele explica que, ao remover a energia cinética dos átomos, um está essencialmente eliminando seus movimentos aleatórios e fazendo a transição dos átomos para um aspecto mais uniforme, comportamento quântico semelhante a condensados ​​de Bose-Einstein. Esses condensados ​​podem finalmente tomar forma quando os átomos perderam sua energia total e resfriaram o suficiente para residir em seus estados quânticos mais baixos.

Para chegar a este ponto, os pesquisadores descobriram que precisavam dar um passo adiante para resfriar completamente os átomos em condensados. Para fazer isso, eles precisavam sintonizar os lasers longe da ressonância atômica, o que significa que a luz poderia escapar mais facilmente dos átomos sem empurrá-los e aquecê-los.

"Os átomos se tornam quase transparentes para os fótons, "Vuletić diz.

Isso significa que os fótons que chegam têm menos probabilidade de serem absorvidos pelos átomos, provocando vibrações e calor. Em vez de, cada fóton rebate em apenas um átomo.

"Antes, quando um fóton entrou, foi espalhado por, dizer, 10 átomos antes de sair, então fez 10 átomos tremer, "Vuletić diz." Se você afinar o laser longe da ressonância, agora o fóton tem uma boa chance de escapar antes de atingir qualquer outro átomo. E ao aumentar a potência do laser, você pode trazer de volta a taxa de resfriamento original. "

A equipe descobriu que, com sua técnica de resfriamento a laser, eles foram capazes de resfriar átomos de rubídio de 200 microkelvin para 1 microkelvina em apenas 0,1 segundos, em um processo que é 100 vezes mais rápido que o método convencional. O que mais, a amostra final do grupo de condensados ​​de Bose-Einstein continha 1, 400 átomos, de uma nuvem original de 2, 000, conservando uma fração muito maior de átomos condensados ​​em comparação com os métodos existentes.

"Quando eu era um estudante de graduação, pessoas tentaram muitos métodos diferentes usando apenas o resfriamento a laser, e não funcionou, e as pessoas desistiram. Era um sonho antigo tornar este processo mais simples, mais rápido, mais robusto, "Vuletić diz." Então, estamos muito animados para tentar nossa abordagem em novas espécies de átomos, e achamos que podemos fazer com que faça 1, Condensados ​​000 vezes maiores no futuro. "