As nanopartículas de vidro aprisionadas por lasers no vácuo extremo são consideradas uma plataforma promissora para explorar os limites do mundo quântico. Desde o advento da teoria quântica, a questão de quais tamanhos um objeto começa a ser descrito pelas leis da física quântica, em vez das regras da física clássica, permaneceu sem resposta.
Uma equipe formada por Lukas Novotny (ETH Zurique), Markus Aspelmeyer (Universidade de Viena), Oriol Romero-Isart (Universidade de Innsbruck) e Romain Quidant (Zurique) está tentando responder com precisão a essa pergunta dentro do projeto ERC-Synergy Q- Extremo. Um passo crucial no caminho para esse objetivo é reduzir a energia armazenada no movimento da nanopartícula o máximo possível, ou seja, resfriar a partícula até o chamado estado fundamental quântico.
Controle sobre todas as dimensões do movimento
A equipe Q-Xtreme tem trabalhado em conjunto no resfriamento de estado fundamental de nanopartículas por um longo tempo. Vários experimentos em Zurique e Viena, apoiados por cálculos teóricos do Dr. Gonzalez-Ballestero e Prof. Romero-Isart da Universidade de Innsbruck, levaram às primeiras demonstrações de tal resfriamento do estado fundamental de uma nanopartícula, seja amortecendo a partícula movimento usando controle eletrônico (feedback ativo) ou colocando a partícula entre dois espelhos (resfriamento baseado em cavidade). Até agora em experimentos, o estado fundamental foi alcançado apenas ao longo de uma das três direções do movimento da partícula, deixando o movimento ao longo das outras duas direções “quentes”.
“Alcançar o resfriamento do estado fundamental ao longo de mais de uma direção é fundamental para explorar a nova física quântica”, enfatiza Gonzalez-Ballestero, do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica da Academia Austríaca de Ciências e do Departamento de Física Teórica da Universidade de Innsbruck. “Mas até agora essa conquista permaneceu ilusória, pois era desafiador fazer os espelhos entre os quais a partícula está posicionada interagirem de forma eficiente com o movimento ao longo de algumas das três direções” O chamado “Efeito do modo escuro” impediu o resfriamento até o estado fundamental .
Com frequências diferentes em direção ao objetivo
Agora, a pesquisa no Laboratório de Fotônica da ETH Zurich conseguiu pela primeira vez no resfriamento do estado fundamental de uma nanopartícula ao longo de duas direções de movimento. Uma esfera de vidro, cerca de mil vezes menor que um grão de areia, é completamente isolada de seu ambiente em alto vácuo e mantida por um feixe de laser fortemente focalizado enquanto simultaneamente é resfriada até quase o zero absoluto. Com base em previsões teóricas da equipe de Innsbruck, os físicos suíços conseguiram contornar o problema do estado escuro. “Para fazer isso, projetamos as frequências nas quais a partícula oscila nas duas direções de maneira diferente e ajustamos cuidadosamente a polarização da luz do laser”, diz Lukas Novotny, da ETH Zurich.
O trabalho, publicado na Nature Physics, demonstra que é possível atingir o estado mínimo de energia para as três direções de movimento. Também permite a criação de estados quânticos frágeis em duas direções, que podem ser usados para criar giroscópios e sensores ultrassensíveis.
Publicado em 11/03/2023 15h21
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