A física exótica pode acontecer quando as partículas quânticas se juntam e falam umas com as outras. Compreender esses processos é um desafio para os cientistas, porque as interações das partículas podem ser difíceis de vislumbrar e ainda mais difíceis de controlar. Além disso, as simulações de computador modernas lutam para dar sentido a toda a dinâmica complexa que ocorre em um grande grupo de partículas. Felizmente, átomos resfriados a temperaturas próximas a zero podem fornecer informações sobre esse problema.

Os lasers podem fazer com que os átomos frios imitem a física vista em outros sistemas - uma abordagem que é um terreno familiar para os físicos atômicos. Eles usam regularmente feixes de laser que se cruzam para capturar átomos em uma paisagem de colinas e vales chamada rede óptica. Átomos, quando resfriado, não tem energia suficiente para subir as colinas, e eles ficam presos nos vales. Neste ambiente, os átomos se comportam de forma semelhante aos elétrons na estrutura cristalina de muitos sólidos, portanto, essa abordagem fornece uma maneira direta de aprender sobre as interações dentro de materiais reais.

Mas a maneira convencional de fazer redes ópticas tem algumas limitações. O comprimento de onda da luz do laser determina a localização das colinas e vales, e assim a distância entre os vales vizinhos - e com isso o espaçamento entre os átomos - só pode ser reduzida à metade do comprimento de onda da luz. Trazer átomos para mais perto do que esse limite pode ativar interações muito mais fortes entre eles e revelar efeitos que, de outra forma, permaneceriam no escuro.

Agora, uma equipe de cientistas do Joint Quantum Institute (JQI), em colaboração com pesquisadores do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica em Innsbruck, Áustria, contornou o limite do comprimento de onda, aproveitando as características quânticas inerentes dos átomos, o que deve permitir que os vizinhos da rede atômica se aproximem mais do que nunca. A nova técnica consegue espremer as suaves colinas treliçadas em paredes íngremes separadas por apenas um quinquagésimo do comprimento de onda do laser - 25 vezes mais estreito do que o possível com os métodos convencionais. O trabalho, que se baseia em duas propostas teóricas anteriores, foi publicado recentemente em Cartas de revisão física .

Na maioria das redes ópticas, os átomos são organizados pela repetição de quedas suaves na intensidade da luz do laser - um mecanismo que também funciona com objetos não quânticos, como bactérias ou mesmo contas de vidro. Mas isso ignora muitas características quânticas inerentes aos átomos. Ao contrário das contas de vidro, átomos, incitado por luz laser de certas cores, podem alternar internamente entre diferentes versões quânticas de si mesmos, chamados estados. A equipe explora essa propriedade para construir treliças que efetivamente substituem as colinas por feições pontiagudas.

"O truque é que não dependemos apenas da intensidade da luz, "explica Yang Wang, um pesquisador de pós-doutorado no JQI e o principal autor do artigo. "Em vez de, usamos a luz como uma ferramenta para facilitar um efeito de mecânica quântica. E isso cria um novo tipo de paisagem para os átomos. "

Para criar esta estrutura, os pesquisadores capturam os átomos em um padrão de luz de dois tons. Cada cor é escolhida de modo que possa alterar o estado interno de um átomo por conta própria, mas quando as duas cores se sobrepõem, a cor mais intensa em cada ponto assume o controle e decide em qual estado interno o átomo pousa. Mas esse padrão não é suave - existem vastos vales onde o átomo prefere um estado, interrompido por tiras finas onde deve alternar. As regras da mecânica quântica ditam que cada vez que um átomo muda de estado, o átomo deve pagar um preço na forma de energia, como subir uma colina. Embora uma transição suave possa parecer um passeio de domingo até o átomo, grandes mudanças em distâncias mais curtas evoluem rapidamente para uma caminhada cada vez mais íngreme. No experimento, as tiras finas dentro do padrão de luz são tão estreitas, que parecem paredes intransponíveis para o átomo, por isso, os evita e fica preso no meio.

Essas paredes afiadas são um primeiro passo importante na busca para aproximar ainda mais os átomos. A nova técnica ainda oferece muito espaço para os átomos viajarem dentro do amplo, planícies planas, mas os pesquisadores planejam reduzir essa liberdade adicionando mais barreiras. "À medida que tomamos medidas para confinar os átomos cada vez mais, efeitos quânticos entre os átomos devem se tornar cada vez mais importantes, "diz Trey Porto, um JQI Fellow e um autor do artigo. "Isso tem um efeito colateral prático, porque também aumenta a temperatura que precisamos estar para ver o comportamento quântico estranho. O resfriamento é bastante difícil, então isso tornaria a física que buscamos mais facilmente alcançável. "

A equipe de pesquisa diz que esta ferramenta também pode ser útil para futuros experimentos de química quântica, permitindo que os cientistas aproximem os átomos o suficiente para se envolver em uma pequena escala, reação altamente controlada.