Quando o som foi incorporado pela primeira vez aos filmes na década de 1920, ele abriu novas possibilidades para os cineastas, como música e diálogo falado. Os físicos podem estar à beira de uma revolução semelhante, graças a um novo dispositivo desenvolvido na Universidade de Stanford que promete trazer uma dimensão de áudio para experimentos de ciência quântica anteriormente silenciosos.
Em particular, poderia trazer som para uma configuração comum da ciência quântica conhecida como rede óptica, que usa uma malha entrecruzada de feixes de laser para organizar os átomos de maneira ordenada, semelhante a um cristal. Essa ferramenta é comumente usada para estudar as características fundamentais de sólidos e outras fases da matéria que possuem geometrias repetidas. Uma deficiência dessas redes, no entanto, é que elas são silenciosas.
“Sem som ou vibração, perdemos um grau crucial de liberdade que existe em materiais reais”, disse Benjamin Lev, professor associado de física aplicada e de física, que focou nesta questão quando veio pela primeira vez para Stanford em 2011. ” É como fazer sopa e esquecer o sal; realmente tira o sabor da ‘sopa’ quântica. ”
Após uma década de engenharia e benchmarking, Lev e colaboradores da Pennsylvania State University e da University of St. Andrews produziram a primeira rede óptica de átomos que incorpora som. A pesquisa foi publicada em 11 de novembro na Nature. Ao projetar uma cavidade muito precisa que mantinha a estrutura entre dois espelhos altamente reflexivos, os pesquisadores a fizeram de modo que os átomos pudessem “ver” a si mesmos repetidos milhares de vezes por meio de partículas de luz, ou fótons, que saltam para frente e para trás entre os espelhos. Esse feedback faz com que os fótons se comportem como fônons – os blocos de construção do som.
“Se fosse possível colocar seu ouvido na rede óptica dos átomos, você ouviria sua vibração em torno de 1 kHz”, disse Lev.
Um supersólido com som
Os experimentos anteriores de rede óptica eram silenciosos porque careciam da elasticidade especial desse novo sistema. Lev, o jovem estudante graduado Sarang Gopalakrishnan – agora professor assistente de física na Penn State e co-autor do artigo – e Paul Goldbart (agora reitor da Stony Brook University) vieram com a teoria fundamental para este sistema. Mas foi necessária a colaboração de Jonathan Keeling – um leitor da Universidade de St. Andrews e coautor do artigo – e anos de trabalho para construir o dispositivo correspondente.
Para criar essa configuração, os pesquisadores encheram uma cavidade de espelho vazia com um gás quântico ultracold de rubídio. Por si só, este é um superfluido, que é uma fase da matéria na qual os átomos podem fluir em redemoinhos sem resistência. Quando exposto à luz, o superfluido de rubídio se reorganiza espontaneamente em um supersólido – uma fase rara da matéria que exibe simultaneamente a ordem vista nos cristais e a extraordinária fluidez dos superfluidos.
O que trouxe o som para a cavidade foram dois espelhos côncavos cuidadosamente espaçados que são tão reflexivos que há uma fração de 1 por cento de chance de que um único fóton passasse por eles. Essa refletividade e a geometria específica da configuração – o raio dos espelhos curvos é igual à distância entre eles – faz com que os fótons bombeados para a cavidade passem pelos átomos mais de 10.000 vezes. Ao fazer isso, os fótons formam uma ligação estreita especial com os átomos, forçando-os a se organizarem como uma rede.
“A cavidade que usamos oferece muito mais flexibilidade em termos do formato da luz que reflete para frente e para trás entre os espelhos”, disse Lev. “É como se, em vez de apenas ter permissão para fazer uma única onda em um vale d’água, você pudesse agora espirrar para fazer qualquer tipo de padrão de onda.”
Essa cavidade especial permitia que a rede de átomos superfluidos (o supersólido) se movesse de modo que, ao contrário de outras redes ópticas, ficasse livre para distorcer quando cutucada – e isso cria ondas sonoras. Para iniciar esse lançamento de fônons através da rede flexível, os pesquisadores o cutucaram usando um instrumento chamado modulador de luz espacial, que permite programar diferentes padrões na luz que injetam na cavidade.
Os pesquisadores avaliaram como isso afetou o conteúdo da cavidade, capturando um holograma da luz que saiu. O holograma registra a amplitude e a fase da onda de luz, permitindo a obtenção de imagens dos fônons. Além de mediar física interessante, a alta curvatura dos espelhos dentro do dispositivo produz uma imagem de alta resolução, como um microscópio, o que levou os pesquisadores a nomear sua criação um “microscópio de gás quântico ativo”.
O aluno de pós-graduação e autor principal Yudan Guo, que recebeu uma bolsa Q-FARM para apoiar este trabalho, liderou o esforço para confirmar a presença de fônons no dispositivo, o que foi feito enviando diferentes padrões de luz, medindo o que saiu e comparando isso para uma curva de dispersão de Goldstone. Esta curva mostra como a energia, incluindo o som, deve se mover através dos cristais; o fato de suas descobertas corresponderem confirmou tanto a existência de fônons quanto o estado supersólido vibratório.
Dois do mesmo tipo
Há muitas direções que Lev espera que seu laboratório – e talvez outros – tome esta invenção, incluindo o estudo da física de supercondutores exóticos e a criação de redes neurais quânticas – motivo pelo qual a equipe já está trabalhando para criar uma segunda versão de seu dispositivo .
“Abra um livro canônico de física do estado sólido e verá que uma grande parte tem a ver com fônons”, disse Lev. “E, até agora, não podíamos estudar nada construído sobre isso com simuladores quânticos empregando átomos e fótons porque não podíamos emular essa forma básica de som.”
Os alunos de graduação de Stanford, Ronen Kroeze e Brendan Marsh, também são co-autores desta pesquisa.
Publicado em 12/11/2021 11h57
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