Quando um gás altamente diluído é resfriado a temperaturas extremamente baixas, propriedades bizarras são reveladas. Assim, alguns gases formam o chamado condensado de Bose-Einstein – um tipo de matéria na qual todos os átomos se movem em uníssono. Outro exemplo é a supersolididade:um estado no qual a matéria se comporta como um fluido sem atrito com uma estrutura periódica. Os físicos esperam encontrar formas particularmente diversas e reveladoras de matéria quântica ao resfriar gases constituídos por moléculas polares. Eles são caracterizados por uma distribuição de carga elétrica desigual. Ao contrário dos átomos livres, eles podem girar, vibrar e atrair ou repelir uns aos outros. No entanto, é difícil resfriar gases moleculares a temperaturas ultrabaixas. Uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) em Garching encontrou agora uma maneira simples e eficaz de superar esse obstáculo. É baseado em um campo rotativo de microondas.
Um processo como em uma xícara de café

Para seus experimentos, os pesquisadores usaram um gás de moléculas de sódio-potássio (NaK) que foram confinadas em uma armadilha óptica por luz laser. Para resfriar o gás, a equipe contou com um método que há muito se mostrou eficaz para resfriar átomos não ligados:o chamado resfriamento evaporativo. "Esse método funciona de forma semelhante ao processo familiar, que faz com que uma xícara de café quente esfrie", diz o Dr. Xin-Yu Luo, chefe do Laboratório de Moléculas Polares Ultrafrias na Divisão de Sistemas Quânticos de Muitos Corpos no MPQ :No café, as moléculas de água colidem constantemente e, assim, trocam partes de sua energia cinética. Se duas moléculas particularmente energéticas colidirem, uma delas pode se tornar rápida o suficiente para escapar do café – sai vapor da xícara. A outra molécula permanece com menos energia. É assim que o café esfria gradualmente. Da mesma forma, um gás pode ser resfriado a alguns nanokelvins – bilionésimos de grau acima do zero absoluto a menos 273,15 graus Celsius.

No entanto:"Se o gás consiste em moléculas, estas devem ser estabilizadas adicionalmente a temperaturas muito baixas", diz Luo. A razão está na estrutura muito mais complexa das moléculas em comparação com os átomos não ligados. Portanto, controlar seus movimentos durante as colisões é difícil. As moléculas podem ficar juntas durante as colisões. Além disso, "moléculas polares se comportam como pequenos ímãs que podem se encaixar, caso em que são perdidos para o experimento", explica o Dr. Andreas Schindewolf, que conduz pesquisas na equipe de Xin-Yu Luo. Essas dificuldades provaram ser um grande obstáculo para a pesquisa nos últimos anos.

Microondas mantêm as moléculas separadas

Para superar esse obstáculo, os pesquisadores de Garching contaram com um truque:a aplicação adicional de um campo eletromagnético especialmente preparado que serve como um escudo energético para as moléculas – evitando que elas se unam. "Criamos este escudo de energia usando um campo de microondas forte e rotativo", explica Andreas Schindewolf. "O campo faz com que as moléculas girem em uma frequência mais alta." Se duas moléculas se aproximarem demais, elas podem trocar energia cinética - mas ao mesmo tempo elas se alinham de tal forma que se repelem e se separam rapidamente novamente.

Para criar um campo de micro-ondas com as propriedades necessárias, os pesquisadores colocaram uma antena helicoidal sob a armadilha óptica contendo o gás das moléculas de sódio-potássio. "A taxa na qual as moléculas se entrelaçaram foi reduzida em mais de uma ordem de magnitude", relata Xin-Yu Luo. Além disso, sob a influência do campo, desenvolveu-se uma interação elétrica forte e de longo alcance entre as moléculas. “Como resultado, eles colidiram com muito mais frequência do que sem o campo rotativo de micro-ondas – em média cerca de 500 vezes por molécula”, diz o físico. "Isso foi o suficiente para resfriar o gás perto do zero absoluto por meio da evaporação."

Um novo recorde de baixa temperatura

Após apenas um terço de segundo, a temperatura atingiu cerca de 21 nanokelvin - bem abaixo da "temperatura de Fermi" crítica. Ele marca o limite, abaixo do qual os efeitos quânticos dominam o comportamento de um gás – e fenômenos bizarros começam a surgir. "A temperatura que atingimos é a mais baixa até agora em um gás de moléculas polares", diz Luo com satisfação. E o pesquisador do Max Planck acredita que eles podem atingir temperaturas ainda mais baixas por meio de refinamentos técnicos na configuração experimental.

Os resultados podem ter consequências de longo alcance para pesquisas sobre efeitos quânticos e matéria quântica. "Uma vez que a nova técnica de resfriamento é tão simples que também pode ser integrada na maioria das configurações experimentais com moléculas polares ultrafrias, o método deve em breve encontrar ampla aplicação - e contribuir para algumas novas descobertas", diz o Prof. Dr. Immanuel Bloch, Diretor da Divisão de Sistemas de Muitos Corpos Quânticos da MPQ. “O resfriamento assistido por microondas não apenas abre uma gama de novas investigações sobre estados peculiares da matéria, como superfluidos e supersólidos”, diz Bloch. "Além disso, pode ser útil em tecnologias quânticas." Por exemplo, em computadores quânticos, onde os dados talvez possam ser armazenados por moléculas ultrafrias. "Estes são tempos verdadeiramente emocionantes para os pesquisadores que trabalham com moléculas polares ultrafrias", diz Xin-Yu Luo. + Explorar mais

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