Físicos do Trinity College Dublin propuseram um termômetro baseado no emaranhamento quântico que pode medir com precisão temperaturas um bilhão de vezes mais frias do que as do espaço sideral.
Essas temperaturas ultra-frias surgem em nuvens de átomos, conhecidos como gases Fermi, que são criados por cientistas para estudar como a matéria se comporta em estados quânticos extremos.
O trabalho foi liderado pela equipe QuSys em Trinity com pós-doutorados, Dr. Mark Mitchison, Dr. Giacomo Guarnieri e Professor John Goold, em colaboração com o Professor Steve Campbell (UCD) e Dr. Thomas Fogarty e o Professor Thomas Busch trabalhando no OIST, Okinawa, Japão.
Seus resultados acabam de ser publicados como sugestão do editor na prestigiosa revista Physical Review Letters.
Discutindo a proposta, o professor Goold, chefe do grupo QuSys da Trinity, explica o que é um gás ultra-frio. Ele disse:
“A maneira padrão com que um físico pensa sobre um gás é usar uma teoria conhecida como mecânica estatística. Essa teoria foi inventada por gigantes da física como Maxwell e Boltzmann no século 19. Esses caras reviveram uma velha ideia dos filósofos gregos que fenômenos macroscópicos, como pressão e temperatura, podiam ser entendidos em termos do movimento microscópico dos átomos. Precisamos lembrar que, na época, a ideia de que a matéria era feita de átomos era revolucionária. ”
Ele continuou: “No início do século 20, outra teoria se concretizou. Esta é a mecânica quântica e pode ser a teoria mais importante e precisa que temos na física. Uma previsão famosa da mecânica quântica é que átomos individuais adquirem ondas. como características, o que significa que abaixo de uma temperatura crítica eles podem se combinar com outros átomos em uma única onda macroscópica com propriedades exóticas. Essa previsão levou a uma busca experimental de um século para atingir a temperatura crítica. O sucesso foi finalmente alcançado na década de 90 com o criação dos primeiros gases ultrafrios, resfriados com lasers (Prêmio Nobel de 1997) e presos com fortes campos magnéticos – um feito que ganhou o Prêmio Nobel em 2001. ”
Ele acrescentou: “Gases ultracongelados como esses agora são criados rotineiramente em laboratórios em todo o mundo e têm muitos usos, que vão desde o teste de teorias físicas fundamentais à detecção de ondas gravitacionais. Mas suas temperaturas são assustadoramente baixas em nanokelvin e abaixo! Só para dar para você uma ideia, um Kelvin é -272,15 graus Celsius. Esses gases são um bilhão de vezes mais frios do que isso – os lugares mais frios do universo e eles são criados aqui mesmo na Terra. ”
Então, o que exatamente é um gás Fermi? Ele explica: “Todas as partículas do universo, incluindo átomos, vêm em um dos dois tipos chamados ‘bósons’ e ‘férmions’.” Um gás Fermi compreende férmions, em homenagem ao físico Enrico Fermi. Em temperaturas muito baixas, bósons e férmions se comportam de maneira completamente diferente. Enquanto os bósons gostam de se agrupar, os férmions fazem o oposto. Eles são os maiores distanciadores sociais! Essa propriedade torna a temperatura difícil de medir. ”
Dr. Mark Mitchison, o primeiro autor do artigo, explica: “Tradicionalmente, a temperatura de um gás ultra-frio é inferida de sua densidade: em temperaturas mais baixas, os átomos não têm energia suficiente para se espalharem, tornando o gás mais denso . Mas os férmions sempre se mantêm distantes, mesmo em temperaturas ultrabaixas, então em algum ponto a densidade de um gás Fermi não diz nada sobre a temperatura. Em vez disso, propusemos usar um tipo diferente de átomo como sonda. Digamos que você tenha um gás ultrafrio feito de átomos de lítio. Agora você pega um átomo diferente, digamos o potássio, e o mergulha no gás. As colisões com os átomos ao redor mudam o estado da sua sonda de potássio e isso permite que você deduza a temperatura. Tecnicamente falando, nossa proposta envolve a criação de uma superposição quântica: um estado estranho em que o átomo sonda interage e não interage simultaneamente com o gás. Mostramos que essa superposição muda com o tempo de uma forma muito sensível à temperatura. ”
O Dr. Giacomo Guarnieri dá a seguinte analogia: “Um termômetro é apenas um sistema cujas propriedades físicas mudam com a temperatura de uma forma previsível. Por exemplo, você pode medir a temperatura do seu corpo medindo a expansão do mercúrio em um tubo de vidro. Nosso termômetro funciona de maneira análoga, mas em vez de mercúrio medimos o estado de átomos individuais que estão emaranhados (ou correlacionados) com um gás quântico. ”
O professor Steve Campbell, UCD, comenta: “Esta não é apenas uma ideia remota – o que estamos propondo aqui pode realmente ser implementado usando a tecnologia disponível nos modernos laboratórios de física atômica. É realmente incrível que essa física fundamental possa ser testada. Devido às várias tecnologias quânticas emergentes, os sensores quânticos como o nosso termômetro provavelmente terão o impacto mais imediato, portanto, é um trabalho oportuno e foi destacado pelos editores da Physical Review Letters por esse motivo. ”
O professor Goold acrescenta: “Na verdade, uma das razões pelas quais este artigo foi destacado foi precisamente porque realizamos cálculos e simulações numéricas com um foco particular em um experimento que foi realizado na Áustria e publicado há alguns anos na Science. Aqui, o gás Fermi é um gás diluído de átomos de lítio aprisionados que estavam em contato com impurezas de potássio. Os experimentalistas são capazes de controlar o estado quântico com pulsos de radiofrequência e medir informações sobre o gás. Essas são operações rotineiramente usadas em outras tecnologias quânticas. escalas de tempo acessíveis são simplesmente incríveis e seriam sem precedentes em experimentos de física de matéria condensada tradicionais. Estamos entusiasmados que nossa ideia de usar essas impurezas como um termômetro quântico com precisão requintada possa ser implementada e testada com a tecnologia existente. “
Publicado em 23/08/2020 16h21
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