Físicos da Universidade de Basel desenvolveram uma nova técnica de resfriamento para sistemas quânticos mecânicos. Usando um gás atômico ultracold, as vibrações de uma membrana foram resfriadas a menos de 1 grau acima do zero absoluto. Esta técnica pode permitir novos estudos de física quântica e dispositivos de medição de precisão, como os pesquisadores relatam no jornal Nature Nanotechnology .

Gases atômicos ultracold estão entre os objetos mais frios que existem. Os feixes de laser podem ser usados ​​para prender átomos dentro de uma câmara de vácuo e desacelerar seu movimento para um rastreamento, atingir temperaturas de menos de 1 milionésimo de grau acima do zero absoluto - a temperatura na qual todo movimento pára. Em temperaturas tão baixas, os átomos obedecem às leis da física quântica:eles se movem como pequenos pacotes de ondas e podem estar em uma superposição de estar em vários lugares ao mesmo tempo. Esses recursos são aproveitados em tecnologias como relógios atômicos e outros dispositivos de medição de precisão.

Uma geladeira atômica ultracold

Esses gases ultracoldos também podem ser usados ​​como refrigerantes, resfriar outros objetos a temperaturas muito baixas? Isso abriria muitas possibilidades para a investigação da física quântica em sistemas novos e potencialmente maiores. O problema é que os átomos são microscopicamente pequenos e até mesmo as maiores nuvens produzidas até agora, que consistem em vários bilhões de átomos ultracold, ainda contém muito menos partículas do que algo tão pequeno quanto um grão de areia. Como resultado, o poder de resfriamento dos átomos é limitado.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Basel, liderada pelo professor Philipp Treutlein, conseguiu agora usar átomos ultracold para resfriar as vibrações de uma membrana milimétrica. A membrana, um filme de nitreto de silício de 50 nm de espessura, oscila para cima e para baixo como uma pequena pele quadrada. Esses osciladores mecânicos nunca estão totalmente em repouso, mas mostram vibrações térmicas que dependem de sua temperatura. Embora a membrana contenha cerca de um bilhão de vezes mais partículas do que a nuvem atômica, um forte efeito de resfriamento foi observado, que resfriou as vibrações da membrana a menos de 1 grau acima do zero absoluto.

"O truque aqui é concentrar todo o poder de resfriamento dos átomos no modo vibracional desejado da membrana, "explica o Dr. Andreas Jöckel, um membro da equipe do projeto. A interação entre os átomos e a membrana é gerada por um feixe de laser. Como explica o físico:“A luz do laser exerce forças na membrana e nos átomos. A vibração da membrana altera a força da luz nos átomos e vice-versa”. O laser transmite o efeito de resfriamento em distâncias de vários metros, portanto, a nuvem atômica não precisa estar em contato direto com a membrana. O acoplamento é amplificado por um ressonador óptico que consiste em dois espelhos, entre os quais a membrana é imprensada.

O primeiro experimento desse tipo em todo o mundo

Sistemas que usam luz para acoplar átomos ultracold e osciladores mecânicos já foram propostos teoricamente. O experimento da Universidade de Basel é o primeiro em todo o mundo a realizar tal sistema e usá-lo para resfriar o oscilador. Outras melhorias técnicas devem tornar possível resfriar as vibrações da membrana ao estado fundamental da mecânica quântica.

Para os pesquisadores, resfriar a membrana com os átomos é apenas o primeiro passo:"A natureza quântica bem controlada dos átomos combinada com a interação induzida pela luz está abrindo novas possibilidades para o controle quântico da membrana, "diz Treutlein. Isso pode permitir experimentos fundamentais de física quântica com um sistema mecânico relativamente macroscópico, visível a olho nu. Também pode ser possível gerar o que é conhecido como estados emaranhados entre os átomos e a membrana. Isso permitiria a medição das vibrações da membrana com precisão sem precedentes, o que, por sua vez, poderia permitir o desenvolvimento de novos tipos de sensores para pequenas forças e massas.