Um problema em lidar com armas de destruição em massa é que elas estão bem escondidas. A chave para encontrá-los pode ser mudar os métodos que usamos para olhar. Um desses métodos está tomando forma em um laboratório no porão do Small Hall em William &Mary.

"Basicamente, estamos fazendo isso para que você possa ver o que não pode ver, "disse Seth Aubin, professor associado de física na William &Mary.

Aubin recentemente recebeu uma doação da Agência de Redução de Ameaças de Defesa do Departamento de Defesa dos EUA para desenvolver um novo tipo de instrumento capaz de detectar infraestrutura oculta para armas de destruição em massa.

"A agência está particularmente interessada em encontrar fábricas subterrâneas ou silos de mísseis, coisas assim, "Aubin disse, "mas você também pode usá-lo para localizar submarinos ou mesmo encontrar túneis e cavernas de contrabando."

Para ver o invisível, Aubin diz, primeiro temos que reconsiderar o que significa olhar. O olho humano é projetado para processar luz - ou, quando você está falando de física de partículas, fótons. Quando nos referimos a algo como "visível, "Aubin explica, normalmente significa que os fótons refletidos naquela coisa se movem em um comprimento de onda que nossos olhos podem processar e, portanto, ver.

Mas o que aconteceria se mudássemos nossa interpretação de "ver" para explicar algo diferente da luz? Aubin pretende fazer exatamente isso:encontrar o que é invisível em termos de luz, mas visível em termos de massa.

Aubin e sua equipe (Bennett Atwater '20, Hantao "Tony" Yu '22, Ph.D. candidatos Andrew Rotunno e Shuangli Du, e o cientista Doug Beringer) estão desenvolvendo um dispositivo que usa átomos ultracold para detectar distorções no campo gravitacional da Terra e "ver" usando matéria em vez de luz.

"Os fótons não são tão sensíveis à gravidade, "Aubin disse." Coisas que são sensíveis à gravidade são coisas que têm massa. Quanto mais pesado for, quanto mais sensível ele é e os átomos são muito mais pesados ​​do que os fótons. "

A ideia é imitar o processo de interferometria óptica, uma maneira precisa de fazer medições, monitorando a interferência construtiva e destrutiva produzida pelos comprimentos de onda da luz. É assim que uma equipe global de cientistas, incluindo vários de William &Mary, foram capazes de detectar ondas gravitacionais pela primeira vez, uma conquista digna do Prêmio Nobel.

"Basicamente, você pega um feixe de luz e o faz seguir por dois caminhos, "Aubin disse." Um caminho estará mais perto de algo e seu caminho será distorcido pela gravidade. Quando os feixes se recombinam, você lê a diferença de fase e pode dizer muito sobre o que está lá fora. Estamos fazendo a mesma coisa, exceto com átomos em vez de fótons. "

Faz todo o sentido se deixarmos o nosso mundo confortável da física newtoniana e entrarmos no reino da mecânica quântica, onde massa e energia são intercambiáveis, e toda matéria se comporta como uma onda no nível atômico.

"A ideia é usar este método para medir o campo gravitacional da Terra com uma precisão insana, digamos parte por bilhão, - Aubin disse. - Isso significa que você está medindo um número com nove dígitos. Todas as informações estão nesse último dígito. Esse último dígito informa a variação no campo gravitacional. O que faz com que varie é a massa, massa que está faltando, como um túnel ou uma caverna, ou massa que é extra, como petróleo, minério de ferro ou urânio. "

Acontece que se você quiser ser extremamente preciso, você primeiro tem que ficar insanamente frio. O laboratório usa átomos resfriados a cerca de um microkelvin de temperatura, quase zero absoluto, a temperatura mais baixa teoricamente possível. Na verdade, os pesquisadores usam o objeto mais frio do universo, o condensado de Bose-Einstein, para calibrar seus instrumentos.

"Uma das razões pelas quais ficamos com tanto frio é porque você não precisa procurar a mecânica quântica, vem te procurar, "Aubin disse." A matéria começa a se comportar como uma onda, goste você ou não."

Agora mesmo, a equipe está trabalhando com átomos superfrios de rubídio e potássio, que são resfriados usando uma série de lasers cuidadosamente posicionados. Quase metade do espaço do laboratório é dedicado a uma mesa de lentes, espelhos e outras ópticas. Eles são todos orientados para criar o feixe de laser perfeito, que é transportado para uma área de destruição de átomos por meio de um cabo de fibra óptica.

"Quando você olha para isso pela primeira vez, parece uma bagunça gigantesca, "Aubin disse, em pé ao lado da mesa óptica. "Não é bagunçado, é muito bem organizado. Para uma grande fração dos elementos aqui, se você movê-los de 10 a 100 mícrons, nada vai funcionar. "

Aubin compara fótons de luz laser a bolas de neve. Uma bola de neve é ​​internamente fria, mas quando é lançado em seu caminho e bate contra sua pele, está quente. Isso porque a bola de neve tinha muita energia cinética. Os fótons em feixes de laser também têm muita energia, e, como uma bola de neve, estão internamente frios.

"Os fótons de laser são muito energéticos, então, se você não for inteligente sobre como interage a luz do laser com o material, vai esquentar, "Aubin disse, "mas se você for esperto sobre como você interage, você vai realmente transferir a frieza dos fótons para outra coisa, nesse caso, nossos átomos. "

Uma vez que os átomos são resfriados, eles são mantidos em uma armadilha antes de serem transferidos para um microchip de polegada quadrada, que suporta um campo magnético de micro-ondas. O campo trabalhará para enviar os átomos por dois caminhos separados antes de reuni-los novamente, então os pesquisadores medirão os comprimentos de onda atômicos para interferência construtiva ou destrutiva.

"O chip é onde toda a física acontece, "Aubin disse, "mas para fazer a física acontecer, você precisa de uma sala inteira de equipamentos. "

Até aqui, a equipe mudou com sucesso a direção de rotação de dois átomos, mas eles ainda precisam enviar os átomos por dois caminhos separados. Uma curva de aprendizado maior do que o esperado pode ser em parte a culpada.

"Acontece que as microondas são uma espécie de arte sombria da engenharia elétrica, "Aubin disse." É difícil o suficiente que nem mesmo seja ensinado aos físicos, portanto, estamos nos ensinando engenharia de micro-ondas à medida que avançamos. "

Uma equipe de alunos de graduação está projetando os circuitos de microondas para alimentar o chip. Eles tiveram que fazer a maior parte da fabricação internamente, Aubin disse, gesticulando para pilhas de eletrônicos espalhados pelo laboratório.

"Construímos a maioria das coisas de que precisamos, "Aubin disse." Normalmente você não pode comprá-lo, porque essas coisas simplesmente não existem. Se você está fazendo algo pela primeira vez, você tem que inventar suas próprias ferramentas. "