p Pesquisadores do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne (EPFL) e da IBM Research Europe demonstraram recentemente o resfriamento a laser de um oscilador nanomecânico até sua energia de ponto zero (ou seja, o ponto em que contém uma quantidade mínima de energia). Sua demonstração de sucesso, apresentado em Cartas de revisão física , pode ter implicações importantes para o desenvolvimento de tecnologias quânticas. p Por um longo período de tempo, pesquisadores especializados em diferentes áreas da ciência e tecnologia vêm desenvolvendo ferramentas que potencializam as propriedades acústicas dos objetos, como ressonâncias acústicas ou vibrações mecânicas. Por exemplo, ressonâncias mecânicas têm sido usadas há muito tempo para processar sinais ou para a coleta de medições altamente precisas.

p Em um nível mais fundamental, essas ressonâncias seguem as leis da mecânica quântica. As tecnologias futuras que potencializam as propriedades acústicas dos materiais também poderiam tirar proveito de suas características mecânicas quânticas, como o emaranhamento entre duas vibrações mecânicas ou a superposição de dois estados vibracionais.

p "Esta entrada no regime quântico é paralela a outras tecnologias quânticas, como computadores quânticos, "Dr. Itay Shomroni, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "A natureza quântica desses objetos relativamente grandes é mascarada por influências externas do ambiente, o mais difundido deles é o ruído térmico - flutuações aleatórias devido a uma temperatura finita. "

p Para chegar a um regime em que seja possível observar efeitos da mecânica quântica, os pesquisadores primeiro precisam remover o ruído derivado das influências ambientais. Isso pode ser alcançado resfriando um oscilador mecânico ao seu estado de energia mais baixo possível, conhecido como estado fundamental.

p Devido às leis da mecânica quântica, um oscilador não congela quando em seu estado fundamental, mas sim, contém uma quantidade mínima de energia, a chamada "energia do ponto zero". Na última década, diferentes grupos de pesquisa têm se aproximado cada vez mais de trazer o movimento mecânico para o estado fundamental e, assim, para a energia do ponto zero, usando uma variedade de osciladores nano e micro-mecânicos.

p "Uma abordagem é simplesmente resfriar todo o aparelho a temperaturas extremamente baixas, na faixa milli-Kelvin, "Shomroni disse, "mas isso aumenta a complexidade dos experimentos e introduz outras restrições. Também temos como objetivo atingir o resfriamento do estado fundamental em nosso sistema que opera em vários Kelvin."

p Em seu estudo, Liu Qiu, Shomroni, e seus colegas tentaram resfriar um oscilador nanomecânico até sua energia de ponto zero usando técnicas de resfriamento a laser. Notavelmente, eles foram capazes de atingir uma ocupação extremamente baixa (ou seja, 92% de ocupação do estado fundamental), empurrando o sistema muito mais fundo no regime quântico.

p "Usamos luz laser para resfriar o movimento de nosso oscilador mecânico, o que pode parecer surpreendente à primeira vista, "Shomroni explicou." Esta é uma técnica bem conhecida que foi usada em outros experimentos, também. A luz exerce uma força sobre a matéria chamada pressão de radiação. Esta força pode ser usada para amortecer e resfriar o movimento mecânico, desde que seja aplicado corretamente, opondo-se à velocidade do objeto. "

p No experimento, a vibração mecânica ocorre em uma seção de um nano feixe de silício que tem vários mícrons de comprimento e 220 nm x 530 nm em seção transversal. Esta seção também faz parte de uma cavidade óptica na qual os pesquisadores injetaram feixes de laser. A vibração e a pressão leve neste sistema são interdependentes, portanto, eles se relacionam de uma forma que, em última análise, esfria o sistema.

p "Como sabemos, a luz também pode aquecer objetos porque é absorvida, "Shomroni disse." Para minimizar o efeito da absorção, cercamos nosso oscilador com uma pequena quantidade de gás hélio, para que o excesso de calor se dissipasse rapidamente. "

p Usando seu método baseado em resfriamento a laser, Qiu, Shomroni e seus colegas foram capazes de resfriar um oscilador nanomecânico muito próximo de sua energia de ponto zero. Os resultados obtidos demonstram a eficácia das abordagens que potencializam a interação da tecnologia laser com vibrações mecânicas para resfriar objetos mecânicos.

p Os pesquisadores também mediram a energia térmica residual em seu sistema in situ usando uma métrica sem calibração oferecida pelo próprio oscilador, ou seja, a relação entre suas taxas de absorção e emissão. Esta métrica particular também é conhecida por ser uma assinatura da natureza quântica de um oscilador.

p A capacidade de resfriar um sistema quântico até seu estado fundamental pode abrir novas possibilidades, tanto para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas quanto para pesquisas futuras em mecânica quântica. Por exemplo, essa habilidade pode permitir a criação de um objeto mecânico relativamente grande em um estado de superposição quântica conhecido como estado de gato de Schrödinger.

p Além disso, o desenvolvimento de um método que pode trazer sistemas mecânicos mais perto de sua energia de ponto zero pode ter implicações importantes para a computação quântica. Pesquisadores da IBM estão atualmente tentando desenvolver dispositivos que podem transduzir informações quânticas de forma eficiente, convertendo-o de qubits supercondutores em fótons ópticos.

p "Esses dispositivos serviriam como um meio de conectar computadores quânticos baseados em qubits supercondutores com cabos de fibra óptica para criar uma rede quântica e escalar ainda mais o poder de computação, "Paul Seidler, outro pesquisador que realizou o estudo, disse ao Phys.org "Até agora, as abordagens de maior sucesso para a transdução óptica de micro-ondas utilizam um sistema mecânico como intermediário. Para este aplicativo, a capacidade de inicializar o sistema mecânico em seu estado fundamental pode ser essencial. "

p Em trabalho futuro, a equipe EPFL-IBM planeja usar sua técnica para resfriar sistemas mecânicos até sua energia de ponto zero para controlar seu movimento de novas maneiras interessantes. Por exemplo, os pesquisadores gostariam de explorar o potencial de seu método para produzir uma variedade de estados quânticos exóticos. p © 2020 Science X Network