Para o olho humano, a maioria dos objetos estacionários parecem ser apenas isso, ainda assim, e completamente em repouso. No entanto, se nos entregassem uma lente quântica, permitindo-nos ver objetos na escala de átomos individuais, o que era uma maçã parada em nossa mesa pareceria uma coleção abundante de partículas vibrantes, muito em movimento.

Nas últimas décadas, os físicos descobriram maneiras de super-resfriar objetos de modo que seus átomos fiquem quase paralisados, ou em seu "estado fundamental de movimento". A data, físicos têm lutado contra pequenos objetos, como nuvens de milhões de átomos, ou objetos em escala de nanograma, em tais estados quânticos puros.

Agora, pela primeira vez, cientistas do MIT e de outros lugares já resfriaram um grande, objeto em escala humana para perto de seu estado fundamental de movimento. O objeto não é tangível no sentido de estar situado em um local, mas é o movimento combinado de quatro objetos separados, cada um pesando cerca de 40 quilos. O "objeto" que os pesquisadores resfriaram tem uma massa estimada de cerca de 10 quilos, e compreende cerca de 1x10 ²⁶ , ou quase 1 octilhão, átomos.

Os pesquisadores aproveitaram a capacidade do Laser Interfrometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) para medir o movimento das massas com extrema precisão e super-resfriar o movimento coletivo das massas para 77 nanokelvins, apenas tímido do estado fundamental previsto do objeto de 10 nanokelvins.

Seus resultados, aparecendo hoje em Ciência , representam o maior objeto a ser resfriado para perto de seu estado fundamental de movimento. Os cientistas dizem que agora têm a chance de observar o efeito da gravidade em um objeto quântico massivo.

"Ninguém jamais observou como a gravidade age em estados quânticos massivos, "diz Vivishek Sudhir, professor assistente de engenharia mecânica no MIT, quem dirigiu o projeto. "Demonstramos como preparar objetos na escala de quilogramas em estados quânticos. Isso finalmente abre a porta para um estudo experimental de como a gravidade pode afetar grandes objetos quânticos, algo até então apenas sonhado. "

Os autores do estudo são membros do Laboratório LIGO, e incluem o autor principal e aluno de pós-graduação Chris Whittle, pós-doutorado Evan Hall, a cientista pesquisadora Sheila Dwyer, Reitor da Escola de Ciências e do Professor de Astrofísica Curtis e Kathleen Marble Nergis Mavalvala, e professor assistente de engenharia mecânica Vivishek Sudhir.

Pushback de precisão

Todos os objetos incorporam algum tipo de movimento como resultado das muitas interações que os átomos têm, uns com os outros e de influências externas. Todo esse movimento aleatório é refletido na temperatura de um objeto. Quando um objeto é resfriado próximo à temperatura zero, ainda tem um movimento quântico residual, um estado denominado "estado fundamental de movimento".

Para parar um objeto em seu caminho, pode-se exercer sobre ele uma força igual e oposta. (Pense em parar uma bola de beisebol no meio do vôo com a força de sua luva.) Se os cientistas puderem medir com precisão a magnitude e a direção dos movimentos de um átomo, eles podem aplicar forças contrárias para reduzir sua temperatura - uma técnica conhecida como resfriamento por feedback.

Os físicos aplicaram resfriamento por feedback através de vários meios, incluindo luz laser, para trazer átomos individuais e objetos ultraleves para seus estados básicos quânticos, e tentaram super-resfriar objetos progressivamente maiores, para estudar os efeitos quânticos em maiores, sistemas tradicionalmente clássicos.

"O fato de algo ter temperatura é um reflexo da ideia de que ele interage com as coisas ao seu redor, "Sudhir diz." E é mais difícil isolar objetos maiores de todas as coisas que acontecem ao seu redor. "

Para resfriar os átomos de um objeto grande até próximo ao estado fundamental, seria necessário primeiro medir seu movimento com extrema precisão, para saber o grau de resistência necessária para interromper esse movimento. Poucos instrumentos no mundo podem atingir tal precisão. LIGO, como acontece, posso.

O observatório de detecção de ondas gravitacionais compreende interferômetros gêmeos em locais separados dos EUA. Cada interferômetro tem dois longos túneis conectados em forma de L, e estendendo-se por 4 quilômetros em qualquer direção. Em cada extremidade de cada túnel há um espelho de 40 quilogramas suspenso por fibras finas, que oscila como um pêndulo em resposta a qualquer perturbação, como uma onda gravitacional que se aproxima. Um laser no nexo dos túneis é dividido e enviado para cada túnel, então refletido de volta à sua fonte. O tempo dos lasers de retorno diz aos cientistas precisamente quanto cada espelho se moveu, com uma precisão de 1/10, 000 a largura de um próton.

Sudhir e seus colegas se perguntaram se poderiam usar a precisão de medição de movimento do LIGO para primeiro medir o movimento de grandes, objetos em escala humana, em seguida, aplique uma força contrária, oposto ao que eles medem, para trazer os objetos ao seu estado fundamental.

Reagindo na ação das costas

O objeto que eles visavam resfriar não é um espelho individual, mas sim o movimento combinado de todos os quatro espelhos do LIGO.

"O LIGO é projetado para medir o movimento articular dos quatro espelhos de 40 quilogramas, "Sudhir explica." Acontece que você pode mapear o movimento conjunto dessas massas matematicamente, e pense neles como o movimento de um único objeto de 10 quilogramas. "

Ao medir o movimento dos átomos e outros efeitos quânticos, Sudhir diz, o próprio ato de medir pode chutar aleatoriamente o espelho e colocá-lo em movimento - um efeito quântico denominado "ação retroativa da medição". À medida que os fótons individuais de um laser refletem em um espelho para coletar informações sobre seu movimento, o momento do fóton empurra de volta o espelho. Sudhir e seus colegas perceberam que se os espelhos forem medidos continuamente, como eles estão no LIGO, o recuo aleatório dos fótons anteriores pode ser observado nas informações transportadas pelos fótons posteriores.

Armado com um registro completo de distúrbios quânticos e clássicos em cada espelho, os pesquisadores aplicaram uma força igual e oposta com eletroímãs presos na parte de trás de cada espelho. O efeito quase paralisou o movimento coletivo, deixando os espelhos com tão pouca energia que eles se moveram não mais que 10 ^-20 metros, menos de um milésimo do tamanho de um próton.

A equipe então equiparou a energia restante do objeto, ou movimento, com temperatura, e descobri que o objeto estava sentado em 77 nanokelvins, muito perto de seu estado fundamental de movimento, que eles prevêem ser de 10 nanocelvinas.

"Isso é comparável à temperatura que os físicos atômicos resfriam seus átomos para chegar ao estado fundamental, e isso é com uma pequena nuvem de talvez um milhão de átomos, pesando picogramas, "Sudhir diz." Então, é notável que você possa resfriar algo muito mais pesado, à mesma temperatura. "

"Preparar algo no estado fundamental é muitas vezes o primeiro passo para colocá-lo em estados quânticos excitantes ou exóticos, "Whittle diz." Portanto, este trabalho é empolgante porque pode nos permitir estudar alguns desses outros estados, em uma escala de massa que nunca foi feita antes. "