A questão de saber onde se encontra a fronteira entre a física clássica e a física quântica é uma das buscas mais antigas da investigação científica moderna e, numa nova investigação publicada hoje, os cientistas demonstram uma nova plataforma que poderá ajudar-nos a encontrar uma resposta.



As leis da física quântica governam o comportamento das partículas em escalas minúsculas, levando a fenómenos como o emaranhamento quântico, onde as propriedades das partículas emaranhadas tornam-se inextricavelmente ligadas de formas que não podem ser explicadas pela física clássica.

A investigação em física quântica ajuda-nos a preencher lacunas no nosso conhecimento da física e pode dar-nos uma imagem mais completa da realidade, mas as pequenas escalas em que os sistemas quânticos operam podem torná-los difíceis de observar e estudar.

Ao longo do século passado, os físicos observaram com sucesso fenómenos quânticos em objetos cada vez maiores, desde partículas subatómicas como os eletrões até moléculas que contêm milhares de átomos.

Mais recentemente o campo da optomecânica levitada que lida com o controle de objetos de alta massa em escala micrométrica no vácuo pretende ir além testando a validade dos fenômenos quânticos em objetos que são várias ordens de magnitude mais pesados ​​que os átomos e moléculas. No entanto, à medida que a massa e o tamanho de um objeto aumentam, as interações que resultam em características quânticas delicadas, como o emaranhamento, perdem-se no ambiente, resultando no comportamento clássico que observamos.

Mas agora, a equipe co-liderada pelo Dr. Jayadev Vijayan, chefe do Laboratório de Engenharia Quântica da Universidade de Manchester, com cientistas da ETH Zurique e teóricos da Universidade de Innsbruck, estabeleceram uma nova abordagem para superar este problema em um experimento realizado na ETH Zurique, publicado na revista Nature Physics .

Vijayan disse:"Para observar fenômenos quânticos em escalas maiores e lançar luz sobre a transição quântica clássica, as características quânticas precisam ser preservadas na presença de ruído do ambiente. Como você pode imaginar, existem duas maneiras de fazer isso; uma é suprimir o ruído e a segunda é aumentar os recursos quânticos.

"Nossa pesquisa demonstra uma maneira de enfrentar o desafio adotando a segunda abordagem. Mostramos que as interações necessárias para o emaranhamento entre duas partículas de vidro de tamanho de 0,1 mícron presas opticamente podem ser amplificadas em várias ordens de grandeza para superar as perdas para o meio ambiente. "

Os cientistas colocaram as partículas entre dois espelhos altamente reflexivos que formam uma cavidade óptica. Dessa forma, os fótons espalhados por cada partícula saltam entre os espelhos vários milhares de vezes antes de saírem da cavidade, levando a uma chance significativamente maior de interagir com a outra partícula.

Johannes Piotrowski, co-líder do artigo da ETH Zurich, acrescentou:"Notavelmente, como as interações ópticas são mediadas pela cavidade, sua força não diminui com a distância, o que significa que poderíamos acoplar partículas em escala de mícron ao longo de vários milímetros."

Os pesquisadores também demonstram a notável capacidade de ajustar ou controlar com precisão a força da interação, variando as frequências do laser e a posição das partículas dentro da cavidade.

As descobertas representam um salto significativo para a compreensão da física fundamental, mas também são promissoras para aplicações práticas, particularmente em tecnologia de sensores que poderiam ser usados ​​para monitoramento ambiental e navegação off-line.

Carlos Gonzalez-Ballestero, colaborador da Universidade Técnica de Viena, disse:"A principal força dos sensores mecânicos levitados é sua alta massa em relação a outros sistemas quânticos que usam detecção. A alta massa os torna adequados para detectar forças gravitacionais e acelerações, resultando em melhor sensibilidade. Como tal, os sensores quânticos podem ser usados ​​em muitas aplicações diferentes em vários campos, como monitoramento do gelo polar para pesquisas climáticas e medição de acelerações para fins de navegação."

Piotrowski acrescentou:“É emocionante trabalhar nesta plataforma relativamente nova e testar até onde podemos empurrá-la para o regime quântico”.

Agora, a equipe de pesquisadores combinará os novos recursos com técnicas de resfriamento quântico bem estabelecidas, em um grande passo para validar o emaranhamento quântico. Se for bem-sucedido, conseguir o emaranhamento de nano e micropartículas levitadas poderá diminuir a lacuna entre o mundo quântico e a mecânica clássica cotidiana.

No Photon Science Institute e no Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade de Manchester, a equipe do Dr. Jayadev Vijayan continuará trabalhando em optomecânica levitada, aproveitando as interações entre múltiplas nanopartículas para aplicações em detecção quântica.

Mais informações: Interações de longo alcance mediadas por cavidades em optomecânica levitada, Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02405-3. www.nature.com/articles/s41567-024-02405-3
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido pela Universidade de Manchester