É legal ser pequeno. Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) miniaturizaram os componentes ópticos necessários para resfriar átomos a alguns milésimos de grau acima do zero absoluto, o primeiro passo para empregá-los em microchips para conduzir uma nova geração de relógios atômicos superprecisos, habilite a navegação sem GPS, e simular sistemas quânticos.

Resfriar átomos é equivalente a desacelerá-los, o que os torna muito mais fáceis de estudar. Em temperatura ambiente, átomos zunem pelo ar quase na velocidade do som, cerca de 343 metros por segundo. O rápido, átomos que se movem aleatoriamente têm apenas interações fugazes com outras partículas, e seu movimento pode dificultar a medição das transições entre os níveis de energia atômica. Quando os átomos desaceleram a um rastreamento - cerca de 0,1 metros por segundo - os pesquisadores podem medir as transições de energia das partículas e outras propriedades quânticas com precisão suficiente para usar como padrões de referência em uma miríade de navegação e outros dispositivos.

Por mais de duas décadas, cientistas resfriaram átomos bombardeando-os com luz laser, um feito pelo qual o físico do NIST Bill Phillips dividiu o Prêmio Nobel de Física em 1997. Embora a luz laser normalmente energize átomos, fazendo com que eles se movam mais rápido, se a frequência e outras propriedades da luz forem escolhidas com cuidado, o oposto acontece. Ao atingir os átomos, os fótons do laser reduzem o momentum dos átomos até que eles se movam devagar o suficiente para serem capturados por um campo magnético.

Mas, para preparar a luz laser de modo que tenha as propriedades de resfriar átomos, normalmente é necessário um conjunto óptico do tamanho de uma mesa de jantar. Isso é um problema porque limita o uso desses átomos ultracold fora do laboratório, onde eles podem se tornar um elemento-chave de sensores de navegação altamente precisos, magnetômetros e simulações quânticas.

Agora o pesquisador do NIST William McGehee e seus colegas desenvolveram uma plataforma óptica compacta, apenas cerca de 15 centímetros (5,9 polegadas) de comprimento, que resfria e captura átomos gasosos em uma região de 1 centímetro de largura. Embora outros sistemas de refrigeração em miniatura tenham sido construídos, este é o primeiro que depende exclusivamente de planos, ou planar, ótica, que são fáceis de produzir em massa.

"Isso é importante porque demonstra um caminho para fazer dispositivos reais e não apenas pequenas versões de experimentos de laboratório, "disse McGehee. O novo sistema óptico, embora ainda seja cerca de 10 vezes grande para caber em um microchip, é um passo fundamental para o emprego de átomos ultracold em uma série de compactos, navegação baseada em chip e dispositivos quânticos fora de um ambiente de laboratório. Pesquisadores do Joint Quantum Institute, uma colaboração entre o NIST e a Universidade de Maryland em College Park, junto com cientistas do Instituto de Pesquisa em Eletrônica e Física Aplicada da Universidade de Maryland, também contribuíram para o estudo.

O aparelho, descrito online no New Journal of Physics, consiste em três elementos ópticos. Primeiro, a luz é lançada a partir de um circuito integrado óptico usando um dispositivo chamado conversor de modo extremo. O conversor amplia o feixe de laser estreito, inicialmente com cerca de 500 nanômetros (nm) de diâmetro (cerca de cinco milésimos da espessura de um cabelo humano), a 280 vezes essa largura. O feixe ampliado, em seguida, atinge um cuidadosamente projetado, filme ultrafino conhecido como "metassuperfície" que é cravejado de pequenos pilares, cerca de 600 nm de comprimento e 100 nm de largura.

Os nanopilares atuam para ampliar ainda mais o feixe de laser por outro fator de 100. O alargamento dramático é necessário para que o feixe interaja com eficiência e resfrie uma grande coleção de átomos. Além disso, realizando essa façanha em uma pequena região do espaço, a metassuperfície miniaturiza o processo de resfriamento.

A metassuperfície remodela a luz de duas outras maneiras importantes, alterando simultaneamente a intensidade e a polarização (direção da vibração) das ondas de luz. Normalmente, a intensidade segue uma curva em forma de sino, em que a luz é mais brilhante no centro do feixe, com uma queda gradual em ambos os lados. Os pesquisadores do NIST projetaram os nanopilares para que as estruturas minúsculas modifiquem a intensidade, criando um feixe com brilho uniforme em toda a sua largura. O brilho uniforme permite um uso mais eficiente da luz disponível. A polarização da luz também é crítica para o resfriamento do laser.

A expansão, o feixe remodelado então atinge uma grade de difração que divide o feixe único em três pares de feixes opostos e iguais. Combinado com um campo magnético aplicado, os quatro feixes, empurrando os átomos em direções opostas, servem para prender os átomos resfriados.

Cada componente do sistema óptico - o conversor, a metassuperfície e a grade - foram desenvolvidas no NIST, mas estavam em operação em laboratórios separados nos dois campi do NIST, em Gaithersburg, Maryland e Boulder, Colorado. McGehee e sua equipe reuniram os componentes díspares para construir o novo sistema.

"Essa é a parte divertida desta história, "disse ele." Eu conhecia todos os cientistas do NIST que trabalharam independentemente nesses diferentes componentes, e percebi que os elementos poderiam ser colocados juntos para criar um sistema de resfriamento a laser miniaturizado. "

Embora o sistema óptico tenha que ser 10 vezes menor para átomos resfriados a laser em um chip, o experimento "é a prova do princípio de que isso pode ser feito, "McGehee acrescentou.

"Em última análise, tornar a preparação de luz menor e menos complicada permitirá que tecnologias baseadas em resfriamento a laser existam fora dos laboratórios, " ele disse.