Um rotor em nanoescala (haste preta) é levitado por dois feixes de laser em contra-propagação. Quando os feixes são desligados, o estado quântico do rotor se dispersa em uma superposição de todas as orientações possíveis, exceto em certos intervalos de tempo em que ocorrem reavivamentos quânticos e o rotor assume sua orientação inicial. O rotor pode então ser recapturado pelos lasers e o processo repetido. Crédito:Stickler et al. © 2018 IOP Publishing
Os físicos propuseram uma maneira inteiramente nova de testar o princípio da superposição quântica - a ideia de que um objeto quântico pode existir em vários estados ao mesmo tempo. O novo teste é baseado no exame da rotação quântica de um objeto macroscópico - especificamente, um rotor em nanoescala, que é considerado macroscópico, apesar de seu tamanho minúsculo.
Até agora, a maioria dos testes de superposição quântica foram baseados em linear, em vez de rotacional, movimento. Ao examinar o movimento rotacional, o novo teste pode levar a aplicações como detecção de torque aprimorado por quantum, e pode fornecer informações sobre uma variedade de questões em aberto, como o que causa o colapso da função de onda quântica.
Os físicos, liderado por Klaus Hornberger na Universidade de Duisburg-Essen, Alemanha, publicaram um artigo sobre o teste proposto em uma edição recente do New Journal of Physics .
A superposição quântica surge porque, na escala quântica, as partículas se comportam como ondas. Semelhante à maneira como várias ondas podem se sobrepor para formar uma única nova onda, partículas quânticas podem existir em vários estados sobrepostos ao mesmo tempo. Se a superposição quântica ocorresse na vida cotidiana, podemos observar fenômenos como o gato de Schrödinger, que está morto e vivo ao mesmo tempo até que seja medido, forçando-o a assumir um único estado.
No novo jornal, os pesquisadores propõem levitar um rotor em nanoescala usando pinças ópticas, que são formados por dois feixes de laser polarizados de contra-propagação que fazem com que o rotor se alinhe firmemente com a polarização de campo. Quando os feixes são desligados, Contudo, prevê-se que o rotor fortemente orientado se disperse rapidamente em uma superposição de todos os estados de rotação possíveis à medida que cai em direção ao solo devido à gravidade.
Animação mostrando como um nanorotor pode se dispersar em uma superposição quântica de estados de rotação, e então, devido à interferência quântica, passar por um avivamento, provando que um estado quântico existiu. Crédito:James Millen, King’s College London
Interessantemente, o rotor está previsto para experimentar "renascimentos quânticos" nos quais, em intervalos regulares no tempo, a interferência coletiva de todos os estados de rotação leva ao ressurgimento do estado inicial que ocupava quando era alinhado pelos feixes de laser. A orientação pode ser potencialmente medida iluminando o rotor com um laser de sonda fraco, e o laser de captura pode ser ligado novamente para capturar o rotor neste estado antes que ele atinja o solo.
Até aqui, revivificações quânticas orientacionais foram observadas apenas em gases de moléculas diatômicas. Como os nanobastões consistem em pelo menos 10, 000 átomos, eles são muito maiores do que as moléculas diatômicas, permitindo que a mecânica quântica seja testada em um regime desconhecido.
Os físicos esperam que seja possível observar renascimentos quânticos dos nanobastões usando a tecnologia existente, por exemplo, usando um nanotubo de carbono como rotor. Se então, a observação representaria um novo teste macroscópico de superposição quântica.
"Observando os avivamentos quânticos, esperamos confirmar a mecânica quântica em uma escala de massa e complexidade sem precedentes, explorando assim a fronteira quântica para clássica, "Hornberger disse Phys.org .
No futuro, co-autor James Millen, agora no King's College London, planeja realizar o experimento proposto para detectar renascimentos quânticos macroscópicos.
"Testar se a física quântica falha em uma massa elevada é empolgante, ainda assustador, desafio, "Millen disse." Podemos ter que desenvolver tecnologias inteiramente novas para isolar partículas em nanoescala, ou mesmo realizar experimentos no espaço. Contudo, este experimento que propomos abre uma rota inteiramente nova para sondar efeitos quânticos enigmáticos, de uma forma que acredito firmemente ser viável com a tecnologia de hoje. Além disso, seremos capazes de aproveitar essa física para desenvolver dispositivos úteis de sensibilidade sem precedentes. "
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