Pesquisadores da Universidade de Bonn criaram um gás de partículas leves que podem ser extremamente comprimidas. Seus resultados confirmam as previsões das teorias centrais da física quântica. As descobertas também podem apontar o caminho para novos tipos de sensores que podem medir forças diminutas. O estudo foi publicado na revista Science .
Se você conectar a saída de uma bomba de ar com o dedo, ainda poderá empurrar o pistão para baixo. O motivo:os gases são bastante fáceis de comprimir – ao contrário dos líquidos, por exemplo. Se a bomba contivesse água em vez de ar, seria praticamente impossível mover o pistão, mesmo com o maior esforço.

Os gases geralmente consistem em átomos ou moléculas que giram mais ou menos rapidamente pelo espaço. É bastante semelhante com a luz:seus menores blocos de construção são os fótons, que em alguns aspectos se comportam como partículas. E esses fótons também podem ser tratados como um gás, no entanto, um que se comporta de maneira um tanto incomum:você pode comprimi-lo sob certas condições quase sem esforço. Pelo menos é o que a teoria prevê.

Fótons na caixa do espelho

Pesquisadores do Instituto de Física Aplicada (IAP) da Universidade de Bonn agora demonstraram esse efeito em experimentos pela primeira vez. "Para fazer isso, armazenamos partículas de luz em uma pequena caixa feita de espelhos", explica o Dr. Julian Schmitt do IAP, que é um dos principais pesquisadores do grupo do Prof. Dr. Martin Weitz. "Quanto mais fótons colocamos lá, mais denso o gás de fótons se torna."

A regra geralmente é a seguinte:quanto mais denso um gás, mais difícil é comprimir. Este também é o caso da bomba de ar obstruída - no início, o pistão pode ser empurrado para baixo com muita facilidade, mas em algum momento dificilmente pode ser movido mais, mesmo quando se aplica muita força. Os experimentos de Bonn foram inicialmente semelhantes:quanto mais fótons eles colocavam na caixa do espelho, mais difícil se tornava comprimir o gás.

No entanto, o comportamento mudou abruptamente em um certo ponto:assim que o gás fóton excedeu uma densidade específica, ele pode ser comprimido de repente com quase nenhuma resistência. "Esse efeito resulta das regras da mecânica quântica", explica Schmitt, que também é membro associado do Cluster de Excelência "Matéria e Luz para Computação Quântica" e líder do projeto no Transregio Collaborative Research Center 185. O motivo:A luz as partículas exibem uma "indefinição" - em termos simples, sua localização é um pouco confusa. À medida que se aproximam muito em altas densidades, os fótons começam a se sobrepor. Os físicos também falam de uma "degeneração quântica" do gás. E torna-se muito mais fácil comprimir um gás tão degenerado quântico.

Fótons auto-organizados

Se a sobreposição for forte o suficiente, as partículas de luz se fundem para formar uma espécie de superfóton, um condensado de Bose-Einstein. Em termos muito simplificados, esse processo pode ser comparado ao congelamento da água:no estado líquido, as moléculas de água estão desordenadas; então, no ponto de congelamento, os primeiros cristais de gelo se formam, que eventualmente se fundem em uma camada de gelo estendida e altamente ordenada. "Ilhas de ordem" também são formadas pouco antes da formação do condensado de Bose-Einstein, e se tornam cada vez maiores com a adição de fótons.

O condensado é formado apenas quando essas ilhas crescem tanto que a ordem se estende por toda a caixa de espelhos que contém os fótons. Isso pode ser comparado a um lago no qual blocos de gelo independentes finalmente se juntaram para formar uma superfície uniforme. Naturalmente, isso requer um número muito maior de partículas de luz em uma caixa estendida em comparação com uma pequena. "Conseguimos demonstrar essa relação em nossos experimentos", ressalta Schmitt.

Para criar um gás com número de partículas variável e temperatura bem definida, os pesquisadores usam um "banho de calor":"Inserimos moléculas na caixa do espelho que podem absorver os fótons", explica Schmitt. “Subseqüentemente, eles emitem novos fótons que, em média, possuem a temperatura das moléculas – no nosso caso, pouco menos de 300 Kelvin, que é aproximadamente a temperatura ambiente”.

Os pesquisadores também tiveram que superar outro obstáculo:gases de fótons geralmente não são uniformemente densos – há muito mais partículas em alguns lugares do que em outros. Isso se deve ao formato da armadilha em que eles geralmente estão contidos. "Nós adotamos uma abordagem diferente em nossos experimentos", diz Erik Busley, primeiro autor da publicação. "Nós capturamos os fótons em uma caixa de espelho de fundo plano que criamos usando um método de microestruturação. Isso nos permitiu criar um gás quântico homogêneo de fótons pela primeira vez."

No futuro, a compressibilidade quântica aprimorada do gás permitirá a pesquisa de novos sensores que podem medir forças minúsculas. Além das perspectivas tecnológicas, os resultados também são de grande interesse para a pesquisa fundamental. + Explorar mais

Os físicos dividem irreversivelmente os fótons congelando-os em um condensado de Bose-Einstein