Os engenheiros quânticos da UNSW desenvolveram um novo amplificador que poderia ajudar outros cientistas na busca por partículas indescritíveis de matéria escura.



Imagine jogar uma bola. Você esperaria que a ciência fosse capaz de descobrir sua velocidade e localização exatas a qualquer momento, certo? Bem, a teoria da mecânica quântica diz que não é possível conhecer ambos com precisão infinita ao mesmo tempo.

Acontece que à medida que você mede com mais precisão onde a bola está, saber sua velocidade se torna cada vez menos preciso.

Este enigma é comumente referido como princípio da incerteza de Heisenberg, em homenagem ao famoso físico Werner Heisenberg que o descreveu pela primeira vez.

Para a bola, esse efeito é imperceptível, mas no mundo quântico de pequenos elétrons e fótons a incerteza de medição torna-se subitamente muito significativa.

Esse é o problema que está sendo resolvido por uma equipe de engenheiros da UNSW Sydney que desenvolveu um dispositivo amplificador que realiza medições precisas de sinais de micro-ondas muito fracos, e faz isso por meio de um processo conhecido como compressão.

Apertar no microondas

A compressão envolve a redução da certeza de uma propriedade de um sinal para obter medições ultraprecisas de outra propriedade.

A equipe de pesquisadores da UNSW, liderada pelo professor associado Jarryd Pla, aumentou significativamente a precisão da medição de sinais em frequências de micro-ondas, como as emitidas pelo seu telefone celular, a ponto de estabelecer um novo recorde mundial.

A precisão da medição de qualquer sinal é fundamentalmente limitada pelo ruído. Ruído é a imprecisão que se insinua e mascara os sinais, algo que você pode ter experimentado se já se aventurou fora do alcance ao ouvir rádio AM ou FM.

No entanto, a incerteza no mundo quântico significa que há um limite para o nível de ruído reduzido em uma medição.

"Mesmo no vácuo, um espaço vazio de tudo, o princípio da incerteza nos diz que ainda devemos ter ruído. Chamamos isso de ruído de 'vácuo'. Para muitos experimentos quânticos, o ruído do vácuo é o efeito dominante que nos impede de fazer medições mais precisas ", diz A/Prof. Pla da Escola de Engenharia Elétrica e Telecomunicações da UNSW e coautor de um artigo publicado na Nature Communications .

O espremedor produzido pela equipe da UNSW pode superar esse limite quântico.

“O dispositivo amplifica o ruído em uma direção, de modo que o ruído em outra direção seja significativamente reduzido, ou ‘comprimido’. Pense no ruído como uma bola de tênis, se a esticarmos verticalmente, ela deverá diminuir na horizontal para manter seu volume. Podemos então usar a parte reduzida do ruído para fazer medições mais precisas”, disse A/Prof. Pla diz.

"Crucialmente, mostramos que o espremedor é capaz de reduzir o ruído para registrar níveis baixos."

O dispositivo foi o resultado de um trabalho árduo. Ph.D. o candidato Arjen Vaartjes, co-autor principal do artigo junto com os colegas da UNSW, Dr. Anders Kringhøj e Dr. Wyatt Vine, acrescenta:"A compressão é muito difícil em frequências de microondas porque os materiais usados ​​tendem a destruir o frágil ruído comprimido com bastante facilidade.

"O que fizemos foi muita engenharia para remover fontes de perda, o que significa utilizar materiais supercondutores de altíssima qualidade para construir o amplificador."

E a equipe acredita que o novo dispositivo poderá ajudar a acelerar a busca por partículas notoriamente evasivas conhecidas como áxions, que até agora são apenas teóricas, mas propostas por muitos como o ingrediente secreto da misteriosa matéria escura.

Medições do áxion

Fazer medições precisas é o domínio dos cientistas que tentam descobrir o que constitui a matéria escura, que se acredita constituir cerca de 27% do universo conhecido, mas que permanece um mistério cósmico, uma vez que os cientistas não foram capazes de realmente identificá-la.

Como o próprio nome pode sugerir, ele não emite nem absorve luz, o que o torna “invisível”. Mas os físicos acreditam que deve estar ali, exercendo uma atração gravitacional, caso contrário as galáxias estariam se desintegrando.

Existem muitas teorias variadas sobre a composição da matéria escura – incluindo a proposta da existência dos chamados áxions.

Os próprios áxions também nunca foram descobertos, a teoria é que eles são quase insondavelmente pequenos, com uma massa extremamente baixa como partícula individual e, portanto, interagem virtualmente imperceptivelmente com outra matéria conhecida.

No entanto, uma ideia prevê que, quando expostos a grandes campos magnéticos, os áxions devem produzir sinais de micro-ondas muito fracos. Os cientistas estão usando equipamentos altamente sensíveis e realizando medições meticulosas na tentativa de detectar esses sinais minúsculos.

Mas como A/Prof. Pla diz:“Ao tentar detectar partículas tão fantasmagóricas quanto os áxions, até o ruído do vácuo pode ser ensurdecedor”.

O trabalho realizado sobre compressão na UNSW significa que essas medições podem agora ser feitas até seis vezes mais rápido, aumentando as chances de descobrir um áxion indescritível.

“Os detectores Axion podem usar espremedores para reduzir o ruído e acelerar suas medições. Nossos resultados indicam que esses experimentos agora podem ser realizados ainda mais rápido do que antes”, diz A/Prof. Pla.

"Os cientistas podem ver os efeitos da matéria escura nas galáxias, mas ninguém jamais os detectou. Até que você meça fisicamente um áxion, então ele será apenas uma teoria sobre como a matéria escura se manifesta."

Uso amplo

O autor principal conjunto, Dr. Vine, diz que existem outras aplicações para o novo dispositivo amplificador da equipe.

“O que também mostramos em nosso estudo é que o dispositivo pode ser operado em temperaturas mais altas do que os espremedores anteriores e também em grandes campos magnéticos”, diz o Dr. Vine.

"Isso abre a porta para aplicá-lo em técnicas como a espectroscopia, que é usada para estudar a estrutura de novos materiais e sistemas biológicos, como proteínas. O ruído comprimido significa que você pode estudar volumes menores ou medir amostras com maior precisão."

Kringhøj observa que o próprio ruído comprimido poderia até ser usado em futuros computadores quânticos.

“Acontece que o ruído do vácuo comprimido é um ingrediente para construir um certo tipo de computador quântico. Curiosamente, o nível de compressão que alcançamos não está muito longe da quantidade necessária para construir tal sistema”, diz ele.