Efeito quântico que torna a matéria invisível é finalmente demonstrado

Efeito quântico que torna a matéria invisível é finalmente demonstrado

10 de janeiro de 2022 0 Por Jonas Estefanski
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Por Ben Turner
Publicado na Live Science

Um efeito quântico estranho que foi previsto décadas atrás foi finalmente demonstrado – se você tornar uma nuvem de gás fria e densa o suficiente, você pode torná-la invisível.

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) usaram lasers para comprimir e resfriar o lítio gasoso a densidades e temperaturas baixas o suficiente para espalhar menos luz. Se eles conseguirem resfriar a nuvem ainda mais perto do zero absoluto (menos 273,15 graus Celsius), eles dizem que ela se tornará completamente invisível.

O efeito bizarro é o primeiro exemplo específico de um processo mecânico quântico chamado bloqueio de Pauli.

“O que temos observado é uma forma muito especial e simples do bloqueio de Pauli, que é quando se impede um átomo de fazer o que todos os átomos naturalmente fazem: dispersão da luz”, disse o autor sênior do estudo Wolfgang Ketterle, um professor de física do MIT, em uma declaração. “Esta é a primeira observação clara de que esse efeito existe e mostra um novo fenômeno na física”.

A nova técnica poderia ser usada para desenvolver materiais supressores de luz para evitar a perda de informações em computadores quânticos.

O bloqueio de Pauli vem do princípio de exclusão de Pauli, formulado pela primeira vez pelo famoso físico austríaco Wolfgang Pauli em 1925. Pauli postulou que todas as chamadas partículas de férmions – como prótons, nêutrons e elétrons – com o mesmo estado quântico que as outras não podem existir no mesmo espaço.

Como no nível quântico assombroso há apenas um número finito de estados de energia, isso força os elétrons nos átomos a se empilharem em camadas de níveis de energia mais altas que orbitam cada vez mais ao redor dos núcleos atômicos.

Ele também mantém os elétrons de átomos separados uns dos outros porque, de acordo com um estudo de 1967 com a coautoria do famoso físico Freeman Dyson, sem o princípio de exclusão todos os átomos colapsariam juntos enquanto irrompiam em uma enorme liberação de energia.

Esses resultados não apenas produzem a variação surpreendente dos elementos da tabela periódica, mas também evitam que nossos pés, quando apoiados na terra, atravessem o solo, nos levando ao centro da Terra.

O princípio de exclusão também se aplica aos átomos de um gás. Normalmente, os átomos em uma nuvem de gás têm muito espaço para saltar dentro dela, o que significa que, embora possam ser férmions limitados pelo princípio de exclusão de Pauli, há níveis de energia desocupados suficientes para eles saltarem de forma que o princípio não impeça significativamente seu movimento.

Envie um fóton, ou partícula de luz, para uma nuvem de gás relativamente quente e qualquer átomo com o qual colidir será capaz de interagir com ela, absorvendo seu momento de entrada, recuando para um nível de energia diferente e espalhando o fóton.

Mas esfrie o gás e você terá uma história diferente. Agora os átomos perdem energia, preenchendo todos os estados mais baixos disponíveis e formando um tipo de matéria chamado líquido de Fermi. As partículas agora estão cercadas umas pelas outras, incapazes de subir para níveis de energia mais altos ou cair para níveis mais baixos.

Neste ponto, eles estão empilhados em conchas como espectadores sentados em uma arena lotada e não têm para onde ir se forem atingidos por algo, explicaram os pesquisadores. Eles estão tão compactados que as partículas não são mais capazes de interagir com a luz. A luz enviada é bloqueada de acordo com o princípio de Pauli e simplesmente passará direto.

“Um átomo só pode espalhar um fóton se puder absorver a força de seu estímulo movendo-se para outra cadeira”, disse Ketterle. “Se todas as outras cadeiras estiverem ocupadas, ele não terá mais a capacidade de absorver o estímulo e espalhar o fóton. Assim, o átomo se torna transparente”.

Mas colocar uma nuvem atômica neste estado é muito difícil. Não só precisa de temperaturas incrivelmente baixas, mas também requer que os átomos sejam comprimidos para registrar as densidades. Depois de uma tarefa delicada de prender o gás dentro de uma armadilha atômica, os pesquisadores a bombardearam com um laser.

Nesse caso, os pesquisadores ajustaram os fótons do feixe de laser para que colidissem apenas com os átomos que se moviam na direção oposta a eles, tornando os átomos lentos e, portanto, resfriados. Os pesquisadores congelaram sua nuvem de lítio a 20 microkelvins, que é um pouco acima do zero absoluto.

Em seguida, eles usaram um segundo laser fortemente focado para comprimir os átomos a uma densidade recorde de aproximadamente 1 quatrilhão (1 seguido por 15 zeros) de átomos por centímetro cúbico.

Então, para ver o quão encobertos seus átomos super-resfriados se tornaram, os físicos dispararam um terceiro e último feixe de laser – cuidadosamente calibrado para não alterar a temperatura ou densidade do gás – em seus átomos, usando uma câmera hipersensível para contar o número de fótons espalhados.

Como sua teoria previa, seus átomos resfriados e comprimidos espalharam 38% menos luz do que aqueles em temperatura ambiente, tornando-os significativamente mais escuros.

Duas outras equipes independentes também resfriaram dois outros gases, ou seja,  potássio  e  estrôncio, para mostrar o efeito também. No experimento com estrôncio, os pesquisadores bloquearam de acordo com o princípio Pauli átomos agitados para mantê-los nesse estado por mais tempo. Todos os  três estudos que demonstram o bloqueio de Pauli foram publicados em 18 de novembro na revista Science.

Agora que os pesquisadores finalmente demonstraram o efeito do bloqueio de Pauli, eles podem eventualmente usá-lo para desenvolver materiais que suprimem a luz.

Isso seria especialmente útil para melhorar a eficiência dos computadores quânticos, que atualmente são prejudicados pela decoerência quântica – a perda de informações quânticas (transportadas pela luz) para os arredores de um computador.

“Sempre que controlamos o mundo quântico, como em computadores quânticos, a dispersão de luz é um problema e significa que a informação está vazando de seu computador quântico”, disse Ketterle. “Esta é uma forma de suprimir a dispersão de luz e estamos contribuindo para o tópico geral de controle do mundo atômico”.