Átomos neutros e íons carregados podem ser resfriados a temperaturas extremamente baixas (isto é, para microkelvins, 1 milionésimo de grau acima do zero absoluto) usando técnicas de laser. Nessas baixas temperaturas, as partículas freqüentemente se comportam de acordo com as leis da mecânica quântica.

Os pesquisadores vêm conduzindo experimentos de resfriamento a laser em átomos e íons há décadas. Até aqui, Contudo, nenhum estudo observou misturas de átomos e íons em temperaturas extremamente baixas.

Pesquisadores da Universidade de Amsterdã foram os primeiros a conseguir isso colocando um íon dentro de uma nuvem de átomos de lítio pré-resfriados a alguns milionésimos de Kelvin. Suas observações, publicado em Física da Natureza , revelou inúmeros efeitos que podem ter implicações interessantes para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas.

"Átomos e íons frios encontram aplicações em estudos voltados para a compreensão de fenômenos quânticos de muitos corpos e podem ser usados ​​em relógios atômicos ou possivelmente até mesmo em computadores quânticos, "Dr. Rene Gerritsma, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Até aqui, Contudo, ninguém jamais havia feito uma mistura de átomos e íons nessas temperaturas ultracongeladas. O objetivo por trás do nosso estudo era conseguir isso pela primeira vez. "

Em seus experimentos, Gerritsma e seus colegas começaram resfriando um único íon usando técnicas de resfriamento a laser. Separadamente, eles também prepararam uma nuvem de aproximadamente 10, 000 átomos de lítio e resfriou-o a alguns microkelvin.

Subseqüentemente, os pesquisadores sobrepuseram o íon com a nuvem de átomos e monitoraram os níveis de energia do íon, usando um conjunto de ferramentas normalmente empregado para pesquisa em computadores quânticos de íons aprisionados. Em última análise, isso permitiu que determinassem a energia que surge da colisão entre o íon e a nuvem de átomos.

"O principal desafio em nosso experimento foi manter o íon preso no gás, "Dr. Gerritsma explicou." Para conseguir isso, usamos campos elétricos, mas estes têm um efeito negativo nas colisões átomo-íon, causando aquecimento. "

Alguns anos atrás, durante a realização de experimentos semelhantes, um grupo de pesquisa do MIT previu que os efeitos do aquecimento decorrentes do uso de campos elétricos poderiam ser mitigados usando uma espécie de íon muito pesado e uma espécie de átomo leve. Essa previsão acabou inspirando Gerritsma e seus colegas a conduzir seus experimentos usando um íon de itérbio e uma nuvem de átomos de lítio.

"Pela primeira vez, observamos que um íon em um gás neutro de átomos esfria em um regime onde os efeitos quânticos se tornam importantes, "Dr. Gerritsma disse." O sistema pode ser usado para estudar a química quântica no nível de uma única partícula, ou a física quântica de muitos corpos de átomos e íons interagindo ou talvez até mesmo para resfriar o gás de buffer no computador quântico de íons aprisionados. "

Ao medir a energia cinética dos átomos e íons em todas as direções de movimento, Gerritsma e seus colegas conseguiram reunir uma série de observações interessantes. Por exemplo, a energia de colisão entre o íon itérbio e os átomos de lítio atingiu o que é conhecido como limite da onda s, o que sugere que a teoria quântica pode ajudar a entender melhor a colisão.

A equipe de pesquisa encontrou evidências que apontam para a ocorrência de fenômenos quânticos em colisões entre o íon e os átomos. Essas novas observações podem ter implicações para pesquisas futuras, por exemplo, pavimentando o caminho para investigações aprofundadas de configurações de íon-átomo de vida curta, conhecidas como ressonâncias magneto-moleculares. Em seus próximos estudos, Gerritsma e seus colegas planejam usar um método semelhante ao empregado em seu estudo recente para pesquisar as chamadas ressonâncias de Feshbach entre átomos e íons.

"Nessas ressonâncias, o átomo e o íon podem formar uma molécula e podem ser usados ​​para aumentar a força de interação entre os átomos e os íons, "Dr. Gerritsma disse." Ressonâncias de Feshbach foram observadas entre átomos neutros, e foi previsto que eles existissem entre átomos e íons também. Contudo, eles nunca foram observados porque as temperaturas ultracold exigidas não haviam sido atingidas até agora. "

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