No domínio da mecânica quântica, a capacidade de observar e controlar fenômenos quânticos à temperatura ambiente tem sido ilusória, especialmente em escala grande ou “macroscópica”. Tradicionalmente, tais observações têm sido confinadas a ambientes próximos do zero absoluto, onde os efeitos quânticos são mais fáceis de detectar. Mas a necessidade de frio extremo tem sido um grande obstáculo, limitando as aplicações práticas das tecnologias quânticas.



Agora, um estudo liderado por Tobias J. Kippenberg e Nils Johan Engelsen da EPFL redefine os limites do que é possível. O trabalho pioneiro combina física quântica e engenharia mecânica para conseguir o controle dos fenômenos quânticos à temperatura ambiente.

“Alcançar o regime de optomecânica quântica à temperatura ambiente tem sido um desafio aberto há décadas”, diz Kippenberg. "Nosso trabalho realiza efetivamente o microscópio Heisenberg - há muito considerado apenas um modelo teórico de brinquedo."

Em sua configuração experimental, publicada na Nature , os pesquisadores criaram um sistema optomecânico de ruído ultrabaixo – uma configuração onde a luz e o movimento mecânico se interconectam, permitindo-lhes estudar e manipular como a luz influencia objetos em movimento com alta precisão.

O principal problema com a temperatura ambiente é o ruído térmico, que perturba a delicada dinâmica quântica. Para minimizar isso, os cientistas usaram espelhos de cavidade, que são espelhos especializados que refletem a luz para frente e para trás dentro de um espaço confinado (a cavidade), efetivamente “capturando-a” e melhorando sua interação com os elementos mecânicos do sistema. Para reduzir o ruído térmico, os espelhos são padronizados com estruturas periódicas semelhantes a cristais ("cristal fonônico").

Outro componente crucial foi um dispositivo semelhante a um tambor de 4 mm chamado oscilador mecânico, que interage com a luz dentro da cavidade. Seu tamanho e design relativamente grandes são fundamentais para isolá-lo do ruído ambiental, tornando possível detectar fenômenos quânticos sutis à temperatura ambiente.

“O tambor que usamos neste experimento é o culminar de muitos anos de esforço para criar osciladores mecânicos bem isolados do ambiente”, diz Engelsen.

"As técnicas que usamos para lidar com fontes de ruído notórias e complexas são de alta relevância e impacto para a comunidade mais ampla de detecção e medição de precisão", diz Guanhao Huang, um dos dois Ph.D. alunos liderando o projeto.

A configuração permitiu aos pesquisadores alcançar a "compressão óptica", um fenômeno quântico onde certas propriedades da luz, como sua intensidade ou fase, são manipuladas para reduzir as flutuações em uma variável em detrimento do aumento das flutuações na outra, conforme ditado pela teoria de Heisenberg. princípio.

Ao demonstrar a compressão óptica à temperatura ambiente no seu sistema, os investigadores mostraram que podiam controlar e observar eficazmente fenómenos quânticos num sistema macroscópico sem a necessidade de temperaturas extremamente baixas. Início do formulário

A equipe acredita que a capacidade de operar o sistema em temperatura ambiente expandirá o acesso aos sistemas optomecânicos quânticos, que são bancos de testes estabelecidos para medição quântica e mecânica quântica em escalas macroscópicas.

“O sistema que desenvolvemos pode facilitar novos sistemas quânticos híbridos onde o tambor mecânico interage fortemente com diferentes objetos, como nuvens de átomos aprisionadas”, acrescenta Alberto Beccari, outro Ph.D. aluno liderando o estudo. “Esses sistemas são úteis para informações quânticas e nos ajudam a entender como criar estados quânticos grandes e complexos”.

Mais informações: Nils Engelsen, Optomecânica quântica à temperatura ambiente usando uma cavidade de ruído ultrabaixo, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06997-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06997-3
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela École Polytechnique Federale de Lausanne