Conseguir que os átomos façam o que você quer não é fácil, mas está no centro de muitas pesquisas inovadoras em física.
Criar e controlar o comportamento de novas formas de matéria é de particular interesse e uma área ativa de pesquisa. Nosso novo estudo, publicado em Physical Review Letters , descobriu uma nova maneira de esculpir átomos ultra-frios em diferentes formas usando luz laser.

Átomos ultrafrios, resfriados a temperaturas próximas ao zero absoluto (-273°C), são de grande interesse para os pesquisadores, pois permitem ver e explorar fenômenos físicos que de outra forma seriam impossíveis. A essas temperaturas, mais frias que o espaço sideral, grupos de átomos formam um novo estado de matéria (não sólido, líquido ou gasoso) conhecido como condensados ​​de Bose-Einstein (BEC). Em 2001, os físicos receberam o prêmio Nobel por gerar tal condensado.

A característica definidora de um BEC é que seus átomos se comportam de maneira muito diferente do que normalmente esperamos. Em vez de agirem como partículas independentes, todas têm a mesma energia (muito baixa) e são coordenadas entre si.

Isso é semelhante à diferença entre os fótons (partículas de luz) provenientes do Sol, que podem ter muitos comprimentos de onda (energias) diferentes e oscilar de forma independente, e os dos feixes de laser, que têm o mesmo comprimento de onda e oscilam juntos.

Nesse novo estado da matéria, os átomos agem muito mais como uma única estrutura ondulatória do que como um grupo de partículas individuais. Os pesquisadores conseguiram demonstrar padrões de interferência semelhantes a ondas entre dois BECs diferentes e até produzir "gotículas BEC" em movimento. Este último pode ser pensado como o equivalente atômico de um feixe de laser.

Movendo gotículas

Em nosso último estudo, realizado com nossos colegas Gordon Robb e Gian-Luca Oppo, investigamos como feixes de laser de formato especial podem ser usados ​​para manipular átomos ultrafrios de um BEC. A ideia de usar a luz para mover objetos não é nova:quando a luz incide sobre um objeto, ela pode exercer uma força (muito pequena). Essa pressão de radiação é o princípio por trás da ideia de velas solares, onde a força exercida pela luz solar em grandes espelhos pode ser usada para impulsionar uma espaçonave pelo espaço.

Neste estudo, no entanto, usamos um tipo específico de luz que é capaz não apenas de "empurrar" os átomos, mas também de girá-los, um pouco como uma "chave óptica". Esses feixes de laser parecem anéis brilhantes (ou donuts) em vez de manchas e têm uma frente de onda torcida (helicoidal), conforme mostrado na imagem abaixo.

Sob as condições corretas, quando essa luz distorcida é refletida em um BEC em movimento, os átomos nele são atraídos primeiro para o anel brilhante antes de serem girados em torno dele. À medida que os átomos giram, tanto a luz quanto os átomos começam a formar gotículas que orbitam a direção original do feixe de laser antes de serem ejetadas para fora, longe do anel.

O número de gotículas é igual ao dobro do número de torções de luz. Ao alterar o número, ou direção, das torções no feixe de laser inicial, tivemos controle total sobre o número de gotículas que se formaram e a velocidade e direção de sua rotação subsequente (veja a imagem abaixo). Poderíamos até evitar que as gotículas atômicas escapassem do anel para que continuassem a orbitar por muito mais tempo, produzindo uma forma de corrente atômica ultrafria.

Correntes atômicas ultrafrias

Essa abordagem de brilhar luz torcida através de átomos ultrafrios abre uma nova e simples maneira de controlar e esculpir a matéria em formas não convencionais e complexas.

Uma das aplicações potenciais mais excitantes dos BECs é a geração de "circuitos atomtrônicos", onde as ondas de matéria de átomos ultrafrios são guiadas e manipuladas por campos ópticos e/ou magnéticos para formar equivalentes avançados de circuitos eletrônicos e dispositivos como transistores e diodos. Ser capaz de manipular de forma confiável a forma de um BEC ajudará a criar circuitos atomtrônicos.

Nossos átomos ultrafrios, agindo aqui como um "dispositivo de interferência quântica supercondutora atômica", têm o potencial de fornecer dispositivos muito superiores aos eletrônicos convencionais. Isso porque os átomos neutros resultam em menos perda de informação do que os elétrons que normalmente compõem a corrente. Também temos a capacidade de alterar recursos do dispositivo com mais facilidade.

O mais emocionante, no entanto, é o fato de que nosso método nos permite a possibilidade de produzir circuitos atomtrônicos complexos que seriam simplesmente impossíveis de projetar com materiais normais. Isso poderia ajudar a projetar sensores quânticos altamente controláveis ​​e facilmente reconfiguráveis, capazes de medir pequenos campos magnéticos que, de outra forma, seriam imensuráveis. Esses sensores seriam úteis em áreas que vão desde a pesquisa básica de física até a descoberta de novos materiais ou a medição de sinais do cérebro. + Explorar mais

Uma maneira simples de esculpir a matéria em formas complexas

Este artigo é republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.