A levitação de objetos grandes e de átomos individuais tornou-se uma técnica amplamente usada na ciência e na engenharia. Nos últimos anos, muitos pesquisadores começaram a explorar um novo horizonte:a levitação de nanopartículas e micropartículas - ainda menores que o diâmetro de um único fio de cabelo, mas composto de bilhões de átomos - no vácuo.

A capacidade de manipular e medir a translação e rotação desses objetos com alta precisão gerou uma nova plataforma experimental com oportunidades únicas para pesquisa fundamental e aplicada.

"Para citar apenas alguns exemplos:as altas sensibilidades de objetos levitados a forças externas e acelerações estão alimentando o desenvolvimento de sensores e pesquisas por novas físicas, e o controle total de fricção e forças que afetam o movimento dessas partículas o teste de hipóteses termodinâmicas estocásticas. Além disso, o atrito e o ruído podem ser reduzidos a um mínimo fundamental, criando um vácuo ultra-alto, pavimentando o caminho não apenas para detecção e detecção quântica, mas também para explorar superposições quânticas macroscópicas em um regime até então inexplorado de grandes massas ", diz Oriol Romero-Isart do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica da Academia Austríaca de Ciências e do Departamento de Física Teórica da Universidade de Innsbruck.

Resfriado no estado fundamental quântico

Em 2010, técnicas de óptica quântica foram propostas pela primeira vez como uma forma de resfriar o movimento de uma nanopartícula levitada ao regime quântico usando uma cavidade óptica. Desde então, essas propostas foram desenvolvidas experimentalmente e complementadas pela realização de mecanismos de controle baseados em ótica, elétrico, e forças magnéticas. Por enquanto, ambos os esquemas de resfriamento com base em cavidade óptica e com feedback ativo conseguiram resfriar o movimento de uma nanopartícula levitada dielétrica para o estado fundamental quântico, abrindo o caminho para a física quântica inexplorada.

Física, ciência material e sensores

A levitação de nanoobjetos em alto vácuo oferece novas oportunidades para pesquisas e aplicações, fornecendo isolamento do ambiente anteriormente inatingível. "A caixa de ferramentas atual permite levitar e controlar qualquer tipo de nanoobjeto, incluindo ímãs, metais, diamantes contendo centros de cores, grafeno, gotículas líquidas, e até mesmo hélio superfluido, por meio de ótica, elétrico, e interações magnéticas ", explica Carlos Gonzalez-Ballestero, Pesquisador pós-doutorado no Departamento de Física Teórica da Universidade de Innsbruck. "Essas interações também fornecem um meio de acoplar os graus de liberdade internos (por exemplo, fônons, magnons, excitons) para os graus de liberdade externos bem controlados (translação, rotação)."

Sistemas levitados são testbeds limpos para ciência de materiais, onde a matéria em condições extremas pode ser sondada e até mesmo projetada. Além disso, sistemas levitados são uma plataforma ideal para estudar a física do desequilíbrio. Estender o controle a todos os graus de liberdade de uma partícula levitada permite reduzir as fontes de ruído e decoerência. Isso abrirá a porta para um novo regime de física quântica macroscópica (por exemplo, a preparação de superposições quânticas macroscópicas de objetos compostos por bilhões de átomos) e a sondagem de forças fracas (por exemplo, aquelas previstas por modelos de matéria escura) em regimes ainda inexplorados. Finalmente, o uso de sistemas levitados para detecção ultrassensível de forças traz oportunidades também para aplicações de detecção comercial, incluindo gravímetros, sensores de pressão, sensores de força inercial, e sensores de campo elétrico / magnético.