A nova técnica poderia ser usada para construir redes a partir de nuvens de átomos emaranhados.
Acontece que o que sobe não precisa voltar para baixo.
Os físicos alcançaram um fenômeno conhecido como subradiância, no qual os átomos permanecem em um estado excitado, em uma nuvem densa de átomos pela primeira vez.
O controle da sub-radiância poderia permitir aos cientistas criar redes quânticas confiáveis e de longa vida a partir de nuvens de átomos, relataram os físicos em um novo estudo.
Os átomos ganham energia absorvendo fótons (partículas de luz) que fazem com que seus elétrons saltem do estado “fundamental” de energia mais baixa para estados excitados de energia mais alta. Quando estão em um estado excitado, os átomos emitem espontaneamente um fóton e voltam ao estado fundamental. Mas nem sempre é o caso. Se muitos átomos forem agrupados e separados por uma distância menor do que o comprimento de onda do fóton emitido, a luz que eles emitem se cancelará e os átomos permanecerão em seu estado excitado.
Esse processo, chamado de sub-radiância, efetivamente evita a decadência de um grande grupo, ou “conjunto”, de átomos excitados. A sub-radiância foi observada antes em conjuntos atômicos diluídos e matrizes atômicas ordenadas, mas nunca antes em nuvens atômicas densas.
A subradiância funciona devido a um fenômeno denominado interferência destrutiva. Quando duas ondas de luz com a mesma amplitude são feitas para ocupar a mesma parte do espaço, os picos e os vales das ondas podem se alinhar para se somar construtivamente, formando uma onda combinada que é duas vezes mais brilhante, ou destrutivamente, cancelando ambos ondas inteiramente.
Mas como pode o cancelamento da luz que uma nuvem de átomos emite manter o estado de excitação desses átomos? A chave para entender essa ideia, de acordo com os pesquisadores, é observar a mecânica quântica da sub-radiância – as estranhas regras probabilísticas que governam o reino subatômico.
Na escala minúscula do estranho mundo quântico, as partículas têm propriedades ondulatórias e podem viajar simultaneamente por todos os caminhos infinitos entre um ponto e outro. O caminho que a partícula “escolhe” seguir, e aquele que observamos, depende de como as partículas em forma de onda interferem em si mesmas. Não é realmente a interferência destrutiva entre quaisquer fótons emitidos que captura átomos em estados excitados, mas em vez disso – e aqui está a parte maluca – a possibilidade de que isso possa acontecer, o que impede os fótons de serem emitidos em primeiro lugar.
“Para entender qual é a probabilidade de um evento físico, você precisa somar todos os caminhos que levam a esse evento”, disse o co-autor Loïc Henriet, engenheiro de software quântico da empresa francesa de processamento quântico Pasqal, ao Live Science por e-mail. “Em alguns casos, os caminhos interferem construtivamente e aumentam o fenômeno, enquanto em outros casos, há efeitos de interferência destrutivos que suprimem a probabilidade. A interferência destrutiva dos fótons que teriam sido emitidos por átomos individuais impede a decadência de um estado excitado coletivamente compartilhado no conjunto atômico. ”
Para induzir a subradiância em um gás denso pela primeira vez, a equipe confinou uma nuvem desordenada de átomos de rubídio frio dentro de uma armadilha de pinça óptica. Essa técnica, pela qual os cientistas ganharam o Prêmio Nobel de Física em 2018, usa um feixe de luz laser altamente concentrado para manter partículas minúsculas no lugar. Uma segunda explosão de luz laser excitou os átomos de rubídio.
Muitos dos átomos excitados decaíram rapidamente através de um processo chamado superradiância, que está relacionado à sub-radiância, mas em vez disso tem átomos combinando sua luz emitida construtivamente em um flash superintenso. Mas alguns átomos permaneceram em um estado sub-radiante, ou “escuro”, incapaz de emitir luz que interferiria destrutivamente. Com o passar do tempo, alguns átomos em estados superradiantes também se tornaram sub-radiantes, tornando a nuvem de átomos cada vez mais sub-radiantes.
“Simplesmente esperamos que o sistema se deteriorasse em estados sombrios por si mesmo”, disse Henriet. “A dinâmica de decadência é bastante complexa, mas sabemos que as interações de alguma forma levam o sistema a povoar estados sub-radiantes em um tempo mais longo.”
Assim que encontraram uma maneira de fazer uma nuvem sub-radiante, os pesquisadores sacudiram os átomos de seus estados escuros ajustando as pinças ópticas, permitindo que os átomos emitissem luz sem interferência destrutiva. Isso resultou em uma explosão de luz da nuvem.
A equipe também fez várias nuvens de várias formas e tamanhos para estudar suas propriedades. Apenas o número de átomos em uma nuvem excitada afetava seu tempo de vida – quanto mais átomos havia, mais tempo levavam para decair de volta ao estado fundamental.
“Os efeitos de interferência são efeitos coletivos; para que aconteça, são necessários vários emissores”, disse Henriet. “E fica mais pronunciado quando você aumenta o número de emissores. Com apenas dois átomos, seria possível ter algum tipo de sub-radiância, mas seria um efeito físico muito pequeno. Aumentando o número de átomos, pode-se suprimir emissão de fótons de forma mais eficaz.”
Agora que os pesquisadores podem fazer e controlar nuvens de átomos sub-radiantes, eles planejam estudar técnicas, como organizar suas nuvens em padrões geométricos regulares, que, ao permitir que eles ajustem com precisão a quantidade de interferência que desejam, lhes dará ainda mais controle sobre o tempo de vida dos átomos excitados.
Os pesquisadores acreditam que sua descoberta ajudará no desenvolvimento de muitas novas tecnologias, como novos computadores quânticos e sensores de previsão do tempo mais precisos.
Publicado em 16/06/2021 11h09
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