p Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) "congelaram rapidamente" um cristal plano de 150 íons de berílio (átomos eletricamente carregados), abrindo novas possibilidades para simular magnetismo na escala quântica e sinais de detecção de misteriosa matéria escura. p Muitos pesquisadores tentaram por décadas resfriar objetos vibrantes que são grandes o suficiente para serem visíveis a olho nu a ponto de terem o movimento mínimo permitido pela mecânica quântica, a teoria que rege o comportamento da matéria na escala atômica. Quanto mais frio melhor, porque torna o dispositivo mais sensível, mais estável e menos distorcido, e portanto, mais útil para aplicações práticas. Até agora, Contudo, os pesquisadores só conseguiram reduzir alguns tipos de vibrações.

p No experimento NIST, os campos magnéticos e elétricos resfriaram e prenderam os íons, de modo que formaram um disco com menos de 250 micrômetros (milionésimos de metro) de diâmetro. O disco é considerado um cristal porque os íons são arranjados em um padrão de repetição regular.

p Conforme descrito em Cartas de revisão física , Os pesquisadores do NIST resfriaram o cristal em apenas 200 microssegundos (milionésimos de segundo) para que cada íon tivesse cerca de um terço da energia transportada por um único fônon, um pacote de energia de movimento no cristal. Isso é muito próximo da quantidade de energia no estado quântico mais baixo possível de "solo" para as chamadas vibrações de "pele de tambor" do cristal, que são semelhantes aos movimentos para cima e para baixo de um tambor batendo.

p Os pesquisadores resfriaram e desaceleraram todas as 150 vibrações da pele, um para cada íon. (O vídeo de simulação abaixo mostra oito exemplos de tipos de vibrações da pele do tambor.) O trabalho mostrou que centenas de íons podem ser acalmados coletivamente usando esta técnica, um avanço significativo em relação à demonstração anterior por outro grupo resfriando uma linha de 18 íons.

p Para vibrações nas frequências resfriadas nesta demonstração, um terço da energia transportada por um fônon corresponde a 50 microKelvin, ou 50 milionésimos de grau acima do zero absoluto (menos 459,67 ° F ou menos 273,15 ° C), disse o líder do grupo, John Bollinger. Embora não seja uma temperatura recorde, este nível está próximo do estado fundamental da mecânica quântica para todos os modos de pele de tambor, o que significa que o movimento térmico é pequeno para um sistema tão confinado, Bollinger observou.

p Para conseguir tanto resfriamento, os pesquisadores apontaram dois lasers com frequências e níveis de potência específicos no cristal. Os lasers acoplaram os níveis de energia dos íons de forma a induzir o cristal iônico a perder energia sem aumentar seu movimento. Para a maioria das partículas de luz laser espalhadas pelo cristal, os íons perderam o movimento, resfriar o cristal.

p O método não esfriou outros tipos de vibrações, como o movimento lateral do cristal em forma de disco. Mas os movimentos da pele do tambor têm os usos mais práticos. Apenas as vibrações da pele do tambor são usadas em simulações quânticas e sensores quânticos.

p As vibrações mais frias da pele farão do cristal de íon um simulador mais realista do magnetismo quântico, o que pode ser difícil de calcular em computadores convencionais. O resfriamento do estado fundamental também deve permitir sistemas quânticos emaranhados mais complicados, possibilitando melhores medições para aplicações de detecção quântica.

p "Uma aplicação de detecção quântica que estamos entusiasmados em investigar é a detecção de campos elétricos muito fracos, "Bollinger disse." Com o resfriamento do estado fundamental, melhoramos nossa capacidade de detectar campos elétricos em um nível que permite a busca por certos tipos de matéria escura - axions (partículas subatômicas hipotéticas) e fótons ocultos (portadores de força ainda não vistos). "

p Pesquisas futuras tentarão resfriar cristais tridimensionais com um número muito maior de íons.