Pode-se pensar que a pinça óptica - um feixe de laser focalizado que pode prender pequenas partículas - é coisa velha agora. Afinal, a pinça foi inventada por Arthur Ashkin em 1970. E ele recebeu o Prêmio Nobel por ela este ano - presumivelmente depois que suas principais implicações foram percebidas durante o último meio século.

Surpreendentemente, isso está longe de ser verdade. A pinça óptica está revelando novos recursos enquanto ajuda os cientistas a entender a mecânica quântica, a teoria que explica a natureza em termos de partículas subatômicas.

Essa teoria levou a algumas conclusões estranhas e contra-intuitivas. Um deles é que a mecânica quântica permite que um único objeto exista em dois estados diferentes de realidade ao mesmo tempo. Por exemplo, a física quântica permite que um corpo esteja em dois locais diferentes no espaço simultaneamente - ou morto e vivo, como no famoso experimento mental do gato de Schrödinger.

O nome técnico desse fenômeno é superposição. Superposições foram observadas para objetos minúsculos, como átomos individuais. Mas claramente, nunca vemos uma superposição em nossa vida cotidiana. Por exemplo, não vemos uma xícara de café em dois locais ao mesmo tempo.

Para explicar esta observação, físicos teóricos sugeriram que, para objetos grandes - mesmo para nanopartículas contendo cerca de um bilhão de átomos - as sobreposições colapsam rapidamente em uma ou outra das duas possibilidades, devido a um colapso da mecânica quântica padrão. Para objetos maiores, a taxa de colapso é mais rápida. Para o gato de Schrodinger, este colapso - para "vivo" ou "morto" - seria praticamente instantâneo, explicando por que nunca vemos a superposição de um gato em dois estados ao mesmo tempo.

Até recentemente, essas "teorias do colapso, "o que exigiria modificações dos livros de mecânica quântica, não pôde ser testado, pois é difícil preparar um objeto grande em uma superposição. Isso ocorre porque objetos maiores interagem mais com seus arredores do que átomos ou partículas subatômicas - o que leva a vazamentos de calor que destrói os estados quânticos.

Como físicos, estamos interessados ​​em teorias de colapso porque gostaríamos de entender melhor a física quântica, e especificamente porque há indicações teóricas de que o colapso pode ser devido a efeitos gravitacionais. Seria emocionante encontrar uma conexão entre a física quântica e a gravidade, uma vez que toda a física se baseia nessas duas teorias, e sua descrição unificada - a chamada Teoria de Tudo - é um dos grandes objetivos da ciência moderna.

Insira a pinça óptica

As pinças ópticas exploram o fato de que a luz pode exercer pressão sobre a matéria. Embora a pressão de radiação mesmo de um feixe de laser intenso seja muito pequena, Ashkin foi a primeira pessoa a mostrar que era grande o suficiente para suportar uma nanopartícula, contrariando a gravidade, efetivamente levitando-o.

Em 2010, um grupo de pesquisadores percebeu que tal nanopartícula realizada por uma pinça óptica estava bem isolada de seu ambiente, uma vez que não estava em contato com nenhum material de apoio. Seguindo essas ideias, vários grupos sugeriram maneiras de criar e observar superposições de uma nanopartícula em dois locais espaciais distintos.

Um esquema intrigante proposto pelos grupos de Tongcang Li e Lu Ming Duan em 2013 envolveu um cristal de nanodiamante em uma pinça. A nanopartícula não fica parada dentro da pinça. Em vez, ele oscila como um pêndulo entre dois locais, com a força restauradora proveniente da pressão de radiação devida ao laser. Avançar, este nanocristal de diamante contém um átomo de nitrogênio contaminante, que pode ser considerado um pequeno ímã, com um pólo norte (N) e um pólo sul (S).

A estratégia de Li-Duan consistia em três etapas. Primeiro, eles propuseram resfriar o movimento da nanopartícula ao seu estado fundamental quântico. Este é o estado de menor energia que esse tipo de partícula pode ter. Podemos esperar que neste estado a partícula pare de se mover e não oscile de forma alguma. Contudo, se isso acontecesse, saberíamos onde a partícula estava (no centro da pinça), bem como o quão rápido ele estava se movendo (de forma alguma). Mas o conhecimento perfeito simultâneo de posição e velocidade não é permitido pelo famoso princípio da incerteza de Heisenberg da física quântica. Assim, mesmo em seu estado de energia mais baixo, a partícula se move um pouco, apenas o suficiente para satisfazer as leis da mecânica quântica.

Segundo, o esquema de Li e Duan exigia que o átomo de nitrogênio magnético fosse preparado em uma superposição de seu pólo norte apontando para cima e para baixo.

Finalmente, um campo magnético era necessário para ligar o átomo de nitrogênio ao movimento do cristal de diamante levitado. Isso transferiria a superposição magnética do átomo para a superposição de localização do nanocristal. Essa transferência é possibilitada pelo fato de o átomo e a nanopartícula estarem emaranhados pelo campo magnético. Ocorre da mesma forma que a sobreposição da amostra radioativa decaída e não decaída é convertida na superposição do gato de Schrõdinger nos estados vivo e morto.

Provando a teoria do colapso

O que deu a este trabalho teórico dentes foram dois empolgantes desenvolvimentos experimentais. Já em 2012 os grupos de Lukas Novotny e Romain Quidant mostraram que era possível resfriar uma nanopartícula levitada opticamente a um centésimo de grau acima do zero absoluto - a menor temperatura teoricamente possível - modulando a intensidade da pinça óptica. O efeito foi o mesmo de desacelerar uma criança em um balanço, empurrando nos momentos certos.

Em 2016, os mesmos pesquisadores conseguiram resfriar a um décimo milésimo de grau acima do zero absoluto. Por volta dessa época, nossos grupos publicaram um artigo estabelecendo que a temperatura necessária para atingir o estado fundamental quântico de uma nanopartícula pinçada era cerca de um milionésimo de grau acima do zero absoluto. Este requisito é desafiador, mas ao alcance de experimentos em andamento.

O segundo desenvolvimento emocionante foi a levitação experimental de um nanodiamante portador de defeitos de nitrogênio em 2014 no grupo de Nick Vamivakas. Usando um campo magnético, eles também foram capazes de atingir o acoplamento físico do átomo de nitrogênio e o movimento do cristal exigido pela terceira etapa do esquema de Li-Duan.

A corrida agora começou para alcançar o estado fundamental para que - de acordo com o plano de Li-Duan - um objeto em dois locais possa ser observado colapsando em uma única entidade. Se as superposições forem destruídas na taxa prevista pelas teorias do colapso, a mecânica quântica como a conhecemos terá que ser revisada.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.