Uma equipe de cientistas do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, liderada pela Dra. Birgit Stiller, conseguiu resfriar ondas sonoras em guias de ondas consideravelmente mais longe do que era possível anteriormente usando luz laser. Esta conquista representa um movimento significativo em direção ao objetivo final de alcançar o estado quântico fundamental do som nos guias de onda.



O ruído indesejado gerado pelas ondas acústicas à temperatura ambiente pode ser eliminado. Esta abordagem experimental fornece uma compreensão mais profunda da transição dos fenômenos sonoros clássicos para os quânticos e é relevante para sistemas de comunicação quântica e futuras tecnologias quânticas.

O estado fundamental quântico de uma onda acústica de uma certa frequência pode ser alcançado resfriando completamente o sistema. Desta forma, o número de partículas quânticas, os chamados fônons acústicos, que causam perturbações nas medições quânticas, pode ser reduzido a quase zero e a lacuna entre a mecânica clássica e a mecânica quântica pode ser preenchida.

Na última década, foram feitos grandes avanços tecnológicos, tornando possível colocar vários sistemas neste estado. As vibrações mecânicas que oscilam entre dois espelhos em um ressonador podem ser resfriadas a temperaturas muito baixas até o estado fundamental quântico. Isto ainda não foi possível para fibras ópticas nas quais ondas sonoras de alta frequência podem se propagar. Agora, pesquisadores do Stiller Research Group deram um passo mais perto desse objetivo.

Em seu estudo, publicado recentemente em Physical Review Letters , eles relatam que foram capazes de reduzir a temperatura de uma onda sonora em uma fibra óptica inicialmente à temperatura ambiente em 219 K usando resfriamento a laser, dez vezes mais do que havia sido relatado anteriormente. No final das contas, o número de fônons inicial foi reduzido em 75% a uma temperatura de 74 K, -199 Celsius.

Uma redução tão drástica da temperatura foi possível graças ao uso da luz laser. O resfriamento das ondas sonoras em propagação foi conseguido através do efeito óptico não linear do espalhamento estimulado de Brillouin, no qual as ondas de luz são eficientemente acopladas às ondas sonoras.

Através deste efeito, a luz laser arrefece as vibrações acústicas e cria um ambiente com menos ruído térmico, o que é, até certo ponto, um ruído “perturbador” para um sistema de comunicação quântica, por exemplo. “Uma vantagem interessante das fibras de vidro, além dessa forte interação, é o fato de poderem conduzir luz e som de maneira excelente a longas distâncias”, diz Laura Blázquez Martínez, uma das principais autoras do artigo e doutoranda no Grupo de pesquisa Stiller.

A maioria das plataformas físicas anteriormente trazidas para o estado fundamental quântico eram microscópicas. No entanto, nesta experiência, o comprimento da fibra óptica era de 50 cm, e uma onda sonora que se estendia por todos os 50 cm do núcleo da fibra foi arrefecida a temperaturas extremamente baixas.

“Esses resultados são um passo muito emocionante em direção ao estado fundamental quântico em guias de onda, e a manipulação de fônons acústicos tão longos abre possibilidades para aplicações de banda larga na tecnologia quântica”, de acordo com a Dra. Birgit Stiller, chefe do grupo de optoacústica quântica.

O som, no mundo clássico do dia-a-dia, pode ser entendido como uma onda de densidade num meio. Contudo, do ponto de vista da mecânica quântica, o som também pode ser descrito como uma partícula:o fônon. Esta partícula, o quantum sonoro, representa a menor quantidade de energia que ocorre como uma onda acústica em uma determinada frequência. Para ver e estudar um único quanta de som, o número de fônons deve ser minimizado.

A transição do comportamento clássico para o quântico do som é frequentemente mais facilmente observada no estado fundamental quântico, onde o número de fônons é próximo de zero em média, de modo que as vibrações são quase congeladas e os efeitos quânticos podem ser medidos.

Stiller diz:“Isso abre a porta para um novo cenário de experimentos que nos permite obter insights mais profundos sobre a natureza fundamental da matéria”. A vantagem de usar um sistema de guia de ondas é que a luz e o som não ficam presos entre dois espelhos, mas se propagam ao longo do guia de ondas. As ondas acústicas existem como um continuum – não apenas para frequências específicas – e podem ter uma ampla largura de banda, o que as torna promissoras para aplicações como sistemas de comunicação de alta velocidade.

“Estamos muito entusiasmados com os novos insights que a introdução dessas fibras no estado fundamental quântico trará”, enfatiza o líder do grupo de pesquisa. “Não apenas do ponto de vista da pesquisa fundamental, que nos permite espiar a natureza quântica dos objetos estendidos, mas também por causa das aplicações que isso poderia ter em esquemas de comunicações quânticas e futuras tecnologias quânticas.”

Mais informações: Laura Blázquez Martínez et al, Resfriamento Optoacústico de Ondas Hipersonoras Viajantes, Cartas de Revisão Física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.023603
Informações do diário: Cartas de revisão física

Fornecido pelo Instituto Max Planck para a Ciência da Luz