Uma nova porta para o mundo quântico foi aberta:quando um átomo absorve ou libera energia por meio do salto quântico de um elétron, torna-se mais pesado ou mais leve. Isso pode ser explicado pela teoria da relatividade de Einstein (E =mc ² ) Contudo, o efeito é minúsculo para um único átomo. No entanto, a equipe de Klaus Blaum e Sergey Eliseev no Instituto Max Planck de Física Nuclear mediu com sucesso essa mudança infinitesimal na massa dos átomos individuais pela primeira vez. Para conseguir isso, eles usaram o ultrapreciso equilíbrio atômico Pentatrap no Instituto em Heidelberg. A equipe descobriu um estado quântico não observado anteriormente no rênio, o que pode ser interessante para futuros relógios atômicos. Sobre tudo, este equilíbrio atômico extremamente sensível permite uma melhor compreensão do complexo mundo quântico dos átomos pesados.

Surpreendente, mas é verdade:se você dar corda em um relógio mecânico, fica mais pesado. A mesma coisa acontece quando você carrega seu smartphone. Isso pode ser explicado pela equivalência de energia (E) e massa (m), que Einstein expressou na fórmula mais famosa da física:E =mc ² (c:velocidade da luz no vácuo). Contudo, esse efeito é tão pequeno que foge completamente de nossa experiência cotidiana. Uma balança convencional não seria capaz de detectá-lo.

Mas no Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, há um equilíbrio que pode:Pentatrap. Ele pode medir a mudança minúscula na massa de um único átomo quando um elétron absorve ou libera energia por meio de um salto quântico, abrindo assim um novo mundo para a física de precisão. Esses saltos quânticos nas camadas de elétrons dos átomos moldam nosso mundo - seja na fotossíntese geradora de vida e nas reações químicas gerais, seja na criação de cores e de nossa visão.

Uma formiga em cima de um elefante

Rima Schüssler, agora um pós-doutorado no Instituto Max Planck de Física Nuclear, ajudou a construir o Pentatrap desde que concluiu sua tese de mestrado em 2014. Ela é a autora principal de um artigo sobre uma descoberta inesperada feita em uma colaboração no Max Planck PTB Riken Center:No rênio, existe um estado quântico eletrônico previamente desconhecido com propriedades especiais. Schüssler usa a seguinte analogia para descrever o grau de sensibilidade com que o Pentatrap pode detectar o salto de um elétron para este estado quântico por meio da mudança de massa de um átomo de rênio:"Ao pesar um elefante de seis toneladas, fomos capazes de determinar se uma formiga de dez miligramas estava rastejando sobre ele. "

Pentatrap consiste em cinco armadilhas Penning. Para que tal armadilha seja capaz de pesar um átomo, deve ser eletricamente carregado (ou seja, tornar-se um íon). Como o rênio foi despojado de 29 de seus 75 elétrons, é altamente carregado. Isso aumenta drasticamente a precisão da medição. A armadilha captura esse íon de rênio altamente carregado em uma combinação de um campo magnético e um campo elétrico de formato especial. Dentro, ele viaja em um caminho circular, que está intrincadamente entrelaçado em si mesmo. Em princípio, pode ser pensado como uma bola em uma corda, que pode girar no ar. Se isso for feito com força constante, uma bola mais pesada gira mais devagar do que uma mais leve.

Um estado quântico de vida extremamente longa no rênio

Em Pentatrap, dois íons de rênio giravam alternadamente nas armadilhas empilhadas. Um íon estava no estado quântico energeticamente mais baixo. Quando o segundo íon foi gerado, um elétron foi excitado aleatoriamente em um estado superior, fornecendo energia. Num sentido, era o relógio de feridas. Por causa da energia armazenada, tornou-se ligeiramente mais pesado e, portanto, circulou mais devagar do que o primeiro íon. O Pentatrap conta com precisão o número de revoluções por unidade de tempo. A diferença no número de revoluções produziu o aumento no peso.

Usando este método, a equipe descobriu um estado quântico de vida extremamente longa no rênio. É metaestável (ou seja, decai após um certo tempo de vida). Segundo cálculos de teóricos do instituto liderado por Zoltán Harman e Christoph H. Keitel, a Universidade de Heidelberg, e o Laboratório Kastler Brossel em Paris, isso é 130 dias. A posição do estado quântico também concorda muito bem com cálculos de modelo usando métodos de mecânica quântica de última geração.

Possível aplicação em futuros relógios atômicos

Esses estados eletrônicos excitados em íons altamente carregados são interessantes para a pesquisa básica, bem como para uma possível aplicação em futuros relógios atômicos, conforme pesquisado pelo grupo de trabalho de José Crespo López-Urrutia no Instituto em cooperação com o Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Para eles, o estado metaestável no rênio é atraente por várias razões. Primeiro, por causa de sua longevidade, corresponde a uma frequência orbital nítida do elétron ao redor do núcleo atômico. Segundo, o elétron pode ser excitado com luz suave de raios-X para saltar para este estado quântico. Em princípio, tal relógio poderia tiquetaquear mais rápido e, portanto, com ainda mais precisão do que a geração atual de relógios atômicos ópticos. Contudo, de acordo com Ekkehard Peik, que é responsável pelo Departamento de Tempo e Freqüência do PTB e que não esteve envolvido na obra, ainda é muito cedo para especular se a descoberta poderia ser adequada para uma nova geração de relógios atômicos.

"No entanto, este novo método para descobrir estados quânticos de longa duração é espetacular, "diz o físico. Ele imagina que os relógios atômicos trabalhando com esses novos estados quânticos poderiam inicialmente oferecer um novo campo de teste para a pesquisa básica. Como os íons de rênio carecem de muitos elétrons de proteção mútua, os elétrons restantes sentem o campo elétrico do núcleo atômico de maneira particularmente forte. Os elétrons, portanto, correm ao redor do núcleo em velocidades tão altas que seu movimento deve ser descrito usando a teoria da relatividade especial de Einstein. Com o novo equilíbrio atômico, também seria possível testar com alta precisão se a relatividade especial e a teoria quântica interagem como descrito por esta teoria.

Em geral, o novo equilíbrio atômico oferece um novo acesso à vida interior quântica de átomos mais pesados. Porque estes consistem em muitas partículas - elétrons, prótons, e nêutrons - eles não podem ser calculados com exatidão. Os modelos atômicos para cálculos teóricos são, portanto, baseados em simplificações, e agora podem ser verificados com extrema precisão. Pode ser possível usar esses átomos como sondas na busca por partículas desconhecidas, que pode ser detectado apenas pela força gravitacional extremamente fraca. Essa matéria escura é um dos maiores mistérios não resolvidos da física.

No caminho para a nova física

Um passo importante para o acesso da nova física aos métodos físico-atômicos também foi alcançado com o Pentatrap [Phys. Rev. Lett. 124, 113001]. Os pesquisadores de Heidelberg realizaram medições de massa em uma cadeia de cinco pares de isótopos de xenônio. Usando espectroscopia a laser de alta resolução em cadeias semelhantes de outros elementos, como cálcio e itérbio, uma relação linear pode ser inferida das pequenas diferenças de energia (mudança de isótopo). Desvios não lineares disso podem, Contudo, ser uma indicação de nova física (outras interações fundamentais, novas partículas, matéria escura), que se manifesta sob observação extremamente precisa - uma alternativa para experimentos de alta energia. Aqui também, a estreita cooperação com a teoria (grupo de Zoltan Harman no MPIK) deve ser enfatizada. A medição direta da energia de ligação de um elétron em um íon altamente carregado mostra uma concordância muito boa com os cálculos da estrutura atômica relativística. Isso cria a base, por exemplo para futuros testes de alta precisão de eletrodinâmica quântica.