Quando uma corda de violão é puxada, ele vibra como qualquer objeto vibrante faria, subindo e descendo como uma onda, como prevêem as leis da física clássica. Mas sob as leis da mecânica quântica, que descrevem como a física funciona em escala atômica, as vibrações devem se comportar não apenas como ondas, mas também como partículas. A mesma corda de violão, quando observado em um nível quântico, deve vibrar como unidades individuais de energia conhecidas como fônons.

Agora, cientistas do MIT e do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça criaram e observaram pela primeira vez um único fônon em um material comum em temperatura ambiente.

Até agora, fônons únicos só foram observados em temperaturas ultracold e em engenharia precisa, materiais microscópicos que os pesquisadores devem sondar no vácuo. Em contraste, a equipe criou e observou fônons individuais em um pedaço de diamante ao ar livre em temperatura ambiente. Os resultados, os pesquisadores escrevem em um artigo publicado hoje em Revisão Física X , "trazer o comportamento quântico para mais perto de nossa vida diária."

"Há uma dicotomia entre nossa experiência diária do que é uma vibração - uma onda - e o que a mecânica quântica nos diz que deve ser - uma partícula, "diz Vivishek Sudhir, pós-doutorado no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. "Nosso experimento, porque é conduzido em condições muito tangíveis, quebra essa tensão entre nossa experiência diária e o que a física nos diz que deve ser o caso. "

A técnica que a equipe desenvolveu agora pode ser usada para sondar outros materiais comuns para vibrações quânticas. Isso pode ajudar os pesquisadores a caracterizar os processos atômicos nas células solares, bem como identificar porque certos materiais são supercondutores em altas temperaturas. De uma perspectiva de engenharia, a técnica da equipe pode ser usada para identificar materiais portadores de fônons comuns que podem fazer interconexões ideais, ou linhas de transmissão, entre os computadores quânticos do futuro.

"O que nosso trabalho significa é que agora temos acesso a uma paleta muito mais ampla de sistemas para escolher, "diz Sudhir, um dos principais autores do artigo.

Os co-autores de Sudhir são Santiago Tarrago Velez, Kilian Seibold, Nils Kipfer, Mitchell Anderson, e Christophe Galland, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia.

"Democratizando a mecânica quântica"

Phonons, as partículas individuais de vibração descritas pela mecânica quântica, também estão associados ao calor. Por exemplo, quando um cristal, feito de redes ordenadas de átomos interconectados, é aquecido em uma extremidade, a mecânica quântica prevê que o calor viaja através do cristal na forma de fônons, ou vibrações individuais das ligações entre as moléculas.

Fônons individuais têm sido extremamente difíceis de detectar, principalmente por causa de sua sensibilidade ao calor. Os fônons são suscetíveis a qualquer energia térmica maior que a sua. Se os fônons são inerentemente baixos em energia, em seguida, a exposição a energias térmicas mais elevadas pode desencadear os fônons de um material para excitar em massa, tornando a detecção de um único fóton um esforço de agulha em um palheiro.

Os primeiros esforços para observar fônons individuais o fizeram com materiais especialmente projetados para abrigar poucos fônons, em energias relativamente altas. Esses pesquisadores então submergiram os materiais em refrigeradores quase absolutos que Sudhir descreve como "brutalmente, agressivamente frio, "para garantir que a energia térmica circundante fosse inferior à energia dos fônons no material.

"Se for esse o caso, então a vibração [fônon] não pode emprestar energia do ambiente térmico para excitar mais de um fônon, "Sudhir explica.

Os pesquisadores então dispararam um pulso de fótons (partículas de luz) no material, esperando que um fóton interagisse com um único fônon. Quando isso acontecer, o fóton, em um processo conhecido como espalhamento Raman, deve refletir de volta em uma energia diferente transmitida a ele pelo fônon em interação. Desta maneira, pesquisadores foram capazes de detectar fônons individuais, embora em temperaturas ultracold, e em materiais cuidadosamente projetados.

"O que fizemos aqui foi fazer a pergunta, como você se livra deste ambiente complicado que você criou em torno deste objeto, e trazer esse efeito quântico para o nosso ambiente, para vê-lo em materiais mais comuns, "Sudhir diz." É como democratizar a mecânica quântica em certo sentido. "

Um em um milhão

Para o novo estudo, a equipe olhou para o diamante como objeto de teste. Em diamante, fônons operam naturalmente em altas frequências, de dezenas de terahertz - tão alto que, à temperatura ambiente, a energia de um único fônon é maior do que a energia térmica circundante.

"Quando este cristal de diamante fica em temperatura ambiente, movimento de fônon nem mesmo existe, porque não há energia à temperatura ambiente para excitar nada, "Sudhir diz.

Dentro desta mistura vibracionalmente silenciosa de fônons, os pesquisadores pretendiam excitar apenas um único fônon. Eles enviaram pulsos de laser de alta frequência, consistindo em 100 milhões de fótons cada, no diamante - um cristal feito de átomos de carbono - na chance de um deles interagir e refletir em um fônon. A equipe, então, mede a frequência diminuída do fóton envolvido na colisão - a confirmação de que ele realmente atingiu um fônon, embora esta operação não seja capaz de discernir se um ou mais fônons foram excitados no processo.

Para decifrar o número de fônons excitados, os pesquisadores enviaram um segundo pulso de laser para o diamante, à medida que a energia do fônon decaiu gradualmente. Para cada fônon excitado pelo primeiro pulso, este segundo pulso pode desexcitá-lo, tirando essa energia na forma de um novo, fóton de alta energia. Se apenas um fonon estivesse inicialmente animado, então um novo, deve ser criado fóton de alta frequência.

Para confirmar isso, os pesquisadores colocaram um vidro semitransparente através do qual este novo, fóton de alta frequência sairia do diamante, junto com dois detectores em cada lado do vidro. Os fótons não se dividem, então, se vários fônons estivessem excitados e, em seguida, desexcitados, os fótons resultantes devem passar pelo vidro e se espalhar aleatoriamente em ambos os detectores. Se apenas um detector "clicar, "indicando a detecção de um único fóton, a equipe pode ter certeza de que aquele fóton interagiu com um único fônon.

"É um truque inteligente que usamos para garantir que estamos observando apenas um fonon, "Sudhir diz.

A probabilidade de um fóton interagir com um fônon é de cerca de um em 10 bilhões. Em seus experimentos, os pesquisadores explodiram o diamante com 80 milhões de pulsos por segundo - o que Sudhir descreve como um "trem de milhões de bilhões de fótons" ao longo de várias horas, a fim de detectar cerca de 1 milhão de interações fóton-fônon. No fim, eles encontraram, com significância estatística, que eles foram capazes de criar e detectar um único quantum de vibração.

"Esta é uma afirmação ambiciosa, e temos que ter cuidado, a ciência é feita com rigor, sem espaço para dúvidas razoáveis, "Sudhir diz.

Ao enviar seu segundo pulso de laser para verificar se os fônons individuais estavam de fato sendo criados, os pesquisadores atrasaram este pulso, enviando para o diamante quando o fônon excitado estava começando a perder energia. Desta maneira, eles foram capazes de perceber a maneira pela qual o próprio fônon decaiu.

"Então, não só somos capazes de investigar o nascimento de um único fônon, mas também somos capazes de sondar sua morte, "Sudhir diz." Agora podemos dizer, 'Vá usar esta técnica para estudar quanto tempo leva para um único fônon morrer no material de sua escolha.' Esse número é muito útil. Se o tempo que leva para morrer for muito longo, então, esse material pode suportar fônons coerentes. Se for esse o caso, você pode fazer coisas interessantes com ele, como o transporte térmico em células solares, e interconexões entre computadores quânticos. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.