A equipe usou luz laser e óptica para construir uma imagem de uma função de onda atômica (mostrada em roxo). O gráfico é uma representação artística desse processo, mostrando uma objetiva de microscópio treinada em átomos (esferas) suspensos em uma rede óptica (altas ondas brancas). A técnica da equipe revela informações sobre uma função de onda atômica com detalhes sem precedentes. Crédito:E. Edwards / Joint Quantum Institute
Os físicos demonstraram uma nova maneira de obter os detalhes essenciais que descrevem um sistema quântico isolado, como um gás de átomos, através da observação direta. O novo método fornece informações sobre a probabilidade de encontrar átomos em locais específicos do sistema com resolução espacial sem precedentes. Com esta técnica, os cientistas podem obter detalhes em uma escala de dezenas de nanômetros - menores do que a largura de um vírus.
Experimentos realizados no Joint Quantum Institute (JQI), uma parceria de pesquisa entre o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e a Universidade de Maryland, use uma rede óptica - uma teia de luz laser que suspende milhares de átomos individuais - para determinar a probabilidade de um átomo estar em qualquer local. Porque cada átomo individual na rede se comporta como todos os outros, uma medição em todo o grupo de átomos revela a probabilidade de um átomo individual estar em um determinado ponto do espaço.
Publicado no jornal Revisão Física X , a técnica JQI (e uma técnica semelhante publicada simultaneamente por um grupo da Universidade de Chicago) pode produzir a probabilidade das localizações dos átomos bem abaixo do comprimento de onda da luz usada para iluminar os átomos - 50 vezes melhor do que o limite do que a microscopia óptica normalmente pode resolver.
"É uma demonstração de nossa capacidade de observar a mecânica quântica, "disse Trey Porto da JQI, um dos físicos por trás do esforço de pesquisa. "Isso não foi feito com átomos com nenhuma precisão próxima."
Para entender um sistema quântico, os físicos falam freqüentemente sobre sua "função de onda". Não é apenas um detalhe importante; é toda a história. Ele contém todas as informações de que você precisa para descrever o sistema.
“É a descrição do sistema, "disse o físico da JQI Steve Rolston, outro dos autores do artigo. "Se você tiver as informações da função de onda, você pode calcular tudo o mais sobre ele, como o magnetismo do objeto, sua condutividade e sua probabilidade de emitir ou absorver luz. "
Embora a função de onda seja uma expressão matemática e não um objeto físico, o método da equipe pode revelar o comportamento que a função de onda descreve:as probabilidades de um sistema quântico se comportar de uma maneira em relação a outra. No mundo da mecânica quântica, probabilidade é tudo.
Entre os muitos estranhos princípios da mecânica quântica está a ideia de que, antes de medirmos suas posições, os objetos podem não ter uma localização identificável. Os elétrons ao redor do núcleo de um átomo, por exemplo, não viaje em órbitas planetárias regulares, ao contrário da imagem que alguns de nós aprendemos na escola. Em vez de, eles agem como ondas ondulantes, de modo que não se pode dizer que um elétron em si tenha uma localização definida. Em vez, os elétrons residem em regiões difusas do espaço.
Todos os objetos podem ter esse comportamento ondulatório, mas para qualquer coisa grande o suficiente para olhos desarmados ver, o efeito é imperceptível e as regras da física clássica estão em vigor - não notamos edifícios, baldes ou migalhas de pão espalhando-se como ondas. Mas isole um pequeno objeto, como um átomo, e a situação é diferente porque o átomo existe em um reino de tamanho onde os efeitos da mecânica quântica reinam supremos. Não é possível dizer com certeza onde está localizado, apenas que será encontrado em algum lugar. A função de onda fornece o conjunto de probabilidades de que o átomo seja encontrado em qualquer lugar.
A mecânica quântica é bem compreendida - pelos físicos, de qualquer maneira, para um sistema bastante simples, os especialistas podem calcular a função de onda a partir dos primeiros princípios, sem a necessidade de observá-la. Muitos sistemas interessantes são complicados, no entanto.
"Existem sistemas quânticos que não podem ser calculados porque são muito difíceis, "Rolston disse - como moléculas feitas de vários átomos grandes." Esta abordagem pode nos ajudar a entender essas situações. "
Como a função de onda descreve apenas um conjunto de probabilidades, como os físicos podem obter um quadro completo de seus efeitos em pouco tempo? A abordagem da equipe envolve medir um grande número de sistemas quânticos idênticos ao mesmo tempo e combinar os resultados em uma imagem geral. É como lançar 100, 000 pares de dados ao mesmo tempo - cada lançamento dá um único resultado, e contribui com um único ponto na curva de probabilidade mostrando os valores de todos os dados.
O que a equipe observou foram as posições de cerca de 100, 000 átomos de itérbio que a rede óptica suspende em seus lasers. Os átomos de itérbio são isolados de seus vizinhos e restringidos a se mover para frente e para trás ao longo de um segmento de linha unidimensional. Para obter uma imagem de alta resolução, a equipe encontrou uma maneira de observar fatias estreitas desses segmentos de linha, e quantas vezes cada átomo apareceu em sua respectiva fatia. Depois de observar uma região, a equipe mediu outra, até que tivesse a imagem completa.
Rolston disse que, embora ainda não tenha pensado em um "aplicativo matador" que aproveite a técnica, o simples fato de a equipe ter imaginado diretamente algo central para a pesquisa quântica o fascina.
"Não é totalmente óbvio onde será usado, mas é uma nova técnica que oferece novas oportunidades, "disse ele." Há anos que usamos uma rede óptica para capturar átomos, e agora se tornou um novo tipo de ferramenta de medição. "
