Para um não físico, um "colimador de feixe atômico" pode soar como um phaser disparando partículas místicas. Essa pode não ser a pior metáfora para introduzir uma tecnologia que os pesquisadores agora miniaturizaram, tornando mais provável que um dia chegue a dispositivos portáteis.

Hoje, colimadores de feixe atômico são encontrados principalmente em laboratórios de física, onde eles disparam átomos em um feixe que produz fenômenos quânticos exóticos e que tem propriedades que podem ser úteis em tecnologias de precisão. Ao reduzir os colimadores do tamanho de um pequeno aparelho para caber na ponta do dedo, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia querem disponibilizar a tecnologia para engenheiros que estão avançando em dispositivos como relógios atômicos ou acelerômetros, um componente encontrado em smartphones.

"Um dispositivo típico que você pode fazer com isso é um giroscópio de próxima geração para um sistema de navegação de precisão que é independente do GPS e pode ser usado quando você está fora do alcance do satélite em uma região remota ou viajando no espaço, "disse Chandra Raman, professor associado da Escola de Física da Georgia Tech e co-principal investigador do estudo.

A pesquisa foi financiada pelo Office of Navy Research. Os pesquisadores publicaram seus resultados na revista Nature Communications em 23 de abril, 2019.

Aqui está o que é um colimador, algum do potencial quântico em feixes atômicos, e como o formato do colimador em miniatura pode ajudar os feixes atômicos a moldar novas gerações de tecnologia.

Espingarda atômica de bolso

"Os feixes atômicos colimados existem há décadas, "Raman disse, "Mas atualmente, os colimadores devem ser grandes para serem precisos. "

O feixe atômico começa em uma caixa cheia de átomos, frequentemente rubídio, aquecido a um vapor de modo que os átomos zunem caoticamente. Um tubo se encaixa na caixa, e átomos aleatórios com a trajetória certa disparam para o tubo como pelotas entrando no cano de uma espingarda.

Como pelotas saindo de uma espingarda, os átomos saem da extremidade do tubo disparando razoavelmente em linha reta, mas também com um spray aleatório de tiro atômico voando em ângulos tortos. Em um feixe atômico, aquele spray produz ruído de sinal, e o colimador em um chip aprimorado elimina a maior parte dele para uma forma mais precisa, feixe de átomos quase perfeitamente paralelo.

O feixe é muito mais focado e puro do que os feixes de colimadores existentes. Os pesquisadores também gostariam que seu colimador permitisse aos físicos experimentais criar estados quânticos complexos de maneira mais conveniente.

Máquina de inércia inabalável

Mas mais imediatamente, o colimador configura a mecânica newtoniana que pode ser adaptada para uso prático.

Os feixes aprimorados são fluxos de inércia inabalável porque, ao contrário de um feixe de laser, que é feito de fótons sem massa, os átomos têm massa e, portanto, momento e inércia. Isso torna seus feixes pontos de referência potencialmente ideais em giroscópios acionados por feixes que ajudam a rastrear o movimento e as mudanças de localização.

Os giroscópios atuais em dispositivos de navegação sem GPS são precisos no curto prazo, mas não no longo prazo, o que significa recalibrá-los ou substituí-los com frequência, e isso os torna menos convenientes, dizer, na lua ou em Marte.

"Os instrumentos convencionais em escala de chip baseados na tecnologia MEMS (sistemas microeletromecânicos) sofrem de deriva ao longo do tempo devido a várias tensões, "disse o co-investigador principal Farrokh Ayazi, quem é Ken Byers Professor na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Georgia Tech. "Para eliminar essa deriva, você precisa de um mecanismo absolutamente estável. Este feixe atômico cria esse tipo de referência em um chip. "

Feixe de emaranhamento quântico

Os átomos excitados pelo calor em um feixe também podem ser convertidos em átomos de Rydberg, que fornecem uma cornucópia de propriedades quânticas.

Quando um átomo é energizado o suficiente, seu elétron orbital mais externo se sobressai tanto que o átomo aumenta de tamanho. Orbitando tão longe com tanta energia, aquele elétron mais externo se comporta como o elétron solitário de um átomo de hidrogênio, e o átomo de Rydberg atua como se tivesse apenas um único próton.

"Você pode criar certos tipos de emaranhamento quântico multiatômico usando os estados de Rydberg porque os átomos interagem entre si com muito mais força do que dois átomos no estado fundamental, "Raman disse.

"Os átomos de Rydberg também podem promover futuras tecnologias de sensores porque são sensíveis aos fluxos em força ou em campos eletrônicos menores do que um elétron em escala, "Ayazi disse." Eles também podem ser usados ​​no processamento de informações quânticas. "

Sulcos de silício litografados

Os pesquisadores desenvolveram uma maneira surpreendentemente conveniente de fazer o novo colimador, o que poderia encorajar os fabricantes a adotá-lo:eles cortam por muito tempo, canais extremamente estreitos através de uma pastilha de silício paralela à sua superfície plana. Os canais eram como barris de espingarda alinhados lado a lado para disparar uma série de feixes atômicos.

O silício é um material excepcionalmente liso pelo qual os átomos voam e também é usado em muitas tecnologias microeletrônicas e de computação existentes. Isso abre a possibilidade de combinar essas tecnologias em um chip com o novo colimador em miniatura. Litografia, que é usado para gravar a tecnologia de chip existente, foi usado para cortar precisamente os canais do colimador.

A maior inovação dos pesquisadores reduziu muito o spray tipo espingarda, ou seja, o ruído do sinal. Eles cortaram duas lacunas nos canais, formando uma cascata alinhada de três conjuntos de matrizes paralelas de barris.

Os átomos que voam em ângulos inclinados saltam dos canais nas lacunas e aqueles que voam razoavelmente paralelos na primeira matriz de canais continuam para a próxima, então, o processo se repete, indo do segundo para o terceiro conjunto de canais. Isso dá aos feixes atômicos do novo colimador sua retidão excepcional.