Quando uma partícula está completamente isolada de seu ambiente, as leis da física quântica começam a desempenhar um papel crucial. Um requisito importante para ver os efeitos quânticos é remover toda a energia térmica do movimento das partículas, ou seja, para resfriá-lo o mais próximo possível da temperatura zero absoluta. Pesquisadores da Universidade de Viena, a Academia Austríaca de Ciências e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) estão agora um passo mais perto de atingir esse objetivo, demonstrando um novo método para resfriar nanopartículas levitadas. Eles agora publicam seus resultados no renomado jornal Cartas de revisão física .

Feixes de laser fortemente focados podem atuar como "pinças" ópticas para capturar e manipular objetos minúsculos, de partículas de vidro a células vivas. O desenvolvimento deste método rendeu a Arthur Ashkin o prêmio Nobel de física do ano passado. Embora a maioria dos experimentos até agora tenham sido realizados no ar ou líquido, há um interesse crescente no uso de pinças ópticas para prender objetos em vácuo ultra-alto:tais partículas isoladas não exibem apenas desempenho de detecção sem precedentes, mas também pode ser usado para estudar processos fundamentais de motores térmicos nanoscópicos, ou fenômenos quânticos envolvendo grandes massas.

Um elemento-chave nesses esforços de pesquisa é obter controle total sobre o movimento das partículas, idealmente em um regime onde as leis da física quântica dominam seu comportamento. Tentativas anteriores de conseguir isso, modulou a própria pinça óptica, ou imergiu a partícula em campos de luz adicionais entre configurações de espelho altamente refletivo, isto é, cavidades ópticas.

Contudo, o ruído do laser e as grandes intensidades exigidas do laser representam um limite substancial para esses métodos. "Nosso novo esquema de resfriamento foi emprestado diretamente da comunidade de física atômica, onde existem desafios semelhantes para o controle quântico ", diz Uros Delic, autor principal do estudo recente publicado em Cartas de revisão física por pesquisadores da Universidade de Viena, a Academia Austríaca de Ciências e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), que era liderado por Markus Aspelmeyer. A ideia remonta aos primeiros trabalhos do físico de Innsbruck Helmut Ritsch e dos físicos norte-americanos Vladan Vuletic e Steve Chu, que percebeu que é suficiente usar a luz que é espalhada diretamente da própria pinça óptica se a partícula for mantida dentro de uma cavidade óptica inicialmente vazia.

Uma nanopartícula em uma pinça óptica espalha uma pequena parte da luz da pinça em quase todas as direções. Se a partícula for posicionada dentro de uma cavidade óptica, uma parte da luz espalhada pode ser armazenada entre seus espelhos. Como resultado, os fótons são preferencialmente espalhados na cavidade óptica. Contudo, isso só é possível para luz de cores específicas, ou dito de forma diferente, energias específicas de fótons. Se usarmos uma pinça de luz de uma cor que corresponda a uma energia de fóton ligeiramente menor do que a necessária, as nanopartículas irão "sacrificar" parte de sua energia cinética para permitir o espalhamento de fótons na cavidade óptica. Essa perda de energia cinética efetivamente resfria seu movimento. O método foi demonstrado para átomos antes por Vladan Vuletic, coautor deste trabalho. Isto é, Contudo, a primeira vez que foi aplicado a nanopartículas e usado para resfriar nas três direções de movimento.

"Nosso método de resfriamento é muito mais poderoso do que todos os esquemas demonstrados anteriormente. Sem as restrições impostas pelo ruído do laser e o comportamento quântico da potência do laser de nanopartículas levitadas deve estar ao virar da esquina", diz Delic.