Um grupo de físicos teóricos, incluindo dois físicos da Universidade de Groningen, propuseram um dispositivo de 'mesa' que poderia medir ondas gravitacionais. Contudo, seu objetivo real é responder a uma das maiores questões da física:a gravidade é um fenômeno quântico? O elemento chave para o dispositivo é a superposição quântica de grandes objetos. Seu design foi publicado em New Journal of Physics em 6 de agosto.

Já na fase de pré-impressão, o artigo que foi escrito por Ryan J. Marshman, Peter F. Barker e Sougato Bose (University College London, REINO UNIDO), Gavin W. Morley (Universidade de Warwick, Reino Unido) e Anupam Mazumdar e Steven Hoekstra (Universidade de Groningen, Holanda) foi aclamado como um novo método para medir ondas de gravidade. Em vez dos atuais detectores LIGO e VIRGO com quilômetros de tamanho, os físicos que trabalham no Reino Unido e na Holanda propuseram um detector de mesa. Este dispositivo seria sensível a frequências mais baixas do que os detectores atuais e seria fácil apontá-los para partes específicas do céu - em contraste, os detectores atuais só veem uma parte fixa.

Diamante

A parte principal do dispositivo é um pequeno diamante, apenas alguns nanômetros de tamanho. "Neste diamante, um dos carbonos é substituído por um átomo de nitrogênio, "explica o professor assistente Anupam Mazumdar. Este átomo introduz um espaço livre na banda de valência, que pode ser preenchido com um elétron extra. A teoria quântica diz que quando o elétron é irradiado com luz laser, ele pode absorver ou não a energia do fóton. Absorver a energia alteraria o spin do elétron, um momento magnético que pode ser para cima ou para baixo.

"Assim como o gato de Schrödinger, que está morto e vivo ao mesmo tempo, este spin do elétron absorve e não absorve a energia do fóton, de modo que seu spin é tanto para cima quanto para baixo. "Este fenômeno é chamado de superposição quântica. Como o elétron é parte do diamante, todo o objeto - com uma massa de cerca de 10 ^-17 quilogramas, que é enorme para fenômenos quânticos - está em superposição quântica.

"Temos um diamante que tem spin para cima e para baixo ao mesmo tempo, "explica Mazumdar. Ao aplicar um campo magnético, é possível separar os dois estados quânticos. Quando esses estados quânticos são reunidos novamente desligando o campo magnético, eles criarão um padrão de interferência. "A natureza dessa interferência depende da distância que os dois estados quânticos separados percorreram. E isso pode ser usado para medir as ondas de gravidade." Essas ondas são contrações do espaço, de modo que sua passagem afeta a distância entre os dois estados separados e, portanto, o padrão de interferência.

Link perdido

O artigo mostra que esta configuração pode de fato detectar ondas gravitacionais. Mas não é nisso que Mazumdar e seus colegas estão realmente interessados. "Um sistema no qual podemos obter a superposição quântica de um objeto mesoscópico como o diamante, e por um período de tempo razoável, seria um grande avanço, "Mazumdar diz." Isso permitiria que todos os tipos de medições fossem feitas, e um deles poderia ser usado para determinar se a própria gravidade é um fenômeno quântico. ”A gravidade quântica tem sido o 'elo perdido' na física há quase um século.

Em um artigo publicado em 2017, Mazumdar e seu colaborador de longa data Sougato Bose, junto com vários colegas, sugeriu que o emaranhamento entre dois objetos mesoscópicos poderia ser usado para descobrir se a própria gravidade é um fenômeno quântico. Simplificando:o emaranhamento é um fenômeno quântico, então, quando dois objetos que interagem apenas por meio da gravidade mostram emaranhamento, isso prova que a gravidade é um fenômeno quântico.

Tecnologia

"Em nosso último artigo, descrevemos como criar superposição quântica mesoscópica. Com dois desses sistemas, fomos capazes de mostrar o emaranhamento. "No entanto, como eles notaram durante o trabalho, o único sistema seria sensível às ondas gravitacionais e isso se tornou o foco do New Journal of Physics papel.

"A tecnologia para construir esses sistemas pode levar algumas décadas para ser desenvolvida, "Mazumdar reconhece. Um vácuo de 10 ^-15 Pascal é obrigatório, enquanto a temperatura de operação deve ser a mais baixa possível, próximo do zero absoluto (-273 ° C). "A tecnologia para atingir alto vácuo ou baixa temperatura está disponível, mas precisamos da tecnologia para alcançar os dois ao mesmo tempo. "Além disso, o campo magnético deve ser constante. "Qualquer flutuação causaria o colapso da superposição quântica."

Queda livre

A recompensa por criar esse tipo de sistema seria ótima. "Ele poderia ser usado para todos os tipos de medições em campos como física de energia ultrabaixa ou computação quântica, por exemplo. "E poderia, claro, ser usado para determinar se a gravidade é um fenômeno quântico. Mazumdar, Bose e seus colegas acabaram de fazer o upload de outra pré-impressão na qual descrevem como esse experimento pode ser realizado. "Para garantir que a única interação entre os dois objetos emaranhados seja a gravidade entre eles, o experimento deve ser feito em queda livre, "explica Mazumdar. Com visível entusiasmo, ele descreve um poço de queda de um quilômetro em uma mina profunda, para reduzir a interferência. Dois sistemas quânticos mesoscópicos emaranhados devem ser descartados repetidamente para obter uma medição confiável. "Acho que isso pode ser feito durante a minha vida. E o resultado finalmente resolveria uma das maiores questões da física."