Os lasers produzem ondas de luz coerentes: toda a luz dentro de um laser vibra completamente em sincronia. Enquanto isso, a mecânica quântica nos diz que partículas como átomos também devem ser pensadas como ondas. Como resultado, podemos construir “lasers atômicos” contendo ondas coerentes de matéria. Mas podemos fazer com que essas ondas de matéria durem, para que possam ser usadas em aplicações? Em pesquisa publicada na Nature esta semana, uma equipe de físicos de Amsterdã mostra que a resposta a essa pergunta é afirmativa.
Fazendo os bósons marcharem em sincronia
O conceito subjacente ao laser atômico é o chamado Condensado de Bose-Einstein, ou BEC. As partículas elementares na natureza ocorrem em dois tipos: férmions e bósons. Os férmions são partículas como elétrons e quarks – os blocos de construção da matéria da qual somos feitos. Os bósons são de natureza muito diferente: não são duros como férmions, mas macios: por exemplo, eles podem se mover um pelo outro sem problemas. O exemplo mais conhecido de um bóson é o fóton, a menor quantidade possível de luz. Mas as partículas de matéria também podem se combinar para formar bósons – na verdade, átomos inteiros podem se comportar como partículas de luz. O que torna os bósons tão especiais é que eles podem estar todos exatamente no mesmo estado ao mesmo tempo, ou expressos em termos mais técnicos, eles podem se “condensar” em uma onda coerente. Quando esse tipo de condensação acontece para partículas de matéria, os físicos chamam a substância resultante de Condensado de Bose-Einstein.
Na vida cotidiana, não estamos familiarizados com esses condensados. A razão: é muito difícil fazer com que os átomos se comportem como um só. O culpado por destruir a sincronicidade é a temperatura – quando uma substância aquece, as partículas constituintes começam a se agitar e torna-se praticamente impossível fazê-las se comportar como uma. Somente em temperaturas extremamente baixas, cerca de um milionésimo de grau acima do zero absoluto (cerca de 273 graus abaixo de zero na escala Celsius), há uma chance de formar as ondas de matéria coerentes de um BEC.
Rajadas fugazes
Há um quarto de século, os primeiros condensados de Bose-Einstein foram criados em laboratórios de física. Isso abriu a possibilidade de construir lasers atômicos – dispositivos que literalmente emitem feixes de matéria – mas esses dispositivos só foram capazes de funcionar por um período muito curto. Os lasers podiam produzir pulsos de ondas de matéria, mas depois de enviar tal pulso, um novo BEC teve que ser criado antes que o próximo pulso pudesse ser enviado. Para um primeiro passo em direção a um laser atômico, isso ainda não era ruim. De fato, lasers ópticos comuns também foram feitos em uma variante pulsada antes que os físicos pudessem criar lasers contínuos. Mas enquanto os desenvolvimentos para lasers ópticos foram muito rápidos, o primeiro laser contínuo sendo produzido dentro de seis meses após sua contraparte pulsada, para lasers atômicos a versão contínua permaneceu indescritível por mais de 25 anos.
Ficou claro qual era o problema: os BECs são muito frágeis e são rapidamente destruídos quando a luz incide sobre eles. No entanto, a presença de luz é crucial na formação do condensado: para resfriar uma substância até um milionésimo de grau, é preciso resfriar seus átomos usando luz laser. Como resultado, os BECs ficaram restritos a rajadas fugazes, sem nenhuma maneira de sustentá-los de forma coerente.
Um presente de Natal
Uma equipe de físicos da Universidade de Amsterdã conseguiu resolver o difícil problema de criar um Condensado de Bose-Einstein contínuo. Florian Schreck, o líder da equipe, explica qual foi o truque. “Em experimentos anteriores, o resfriamento gradual dos átomos era feito em um só lugar. Em nossa configuração, decidimos distribuir as etapas de resfriamento não no tempo, mas no espaço: fazemos os átomos se moverem enquanto progridem por etapas consecutivas de resfriamento. No final, átomos ultrafrios chegam ao centro do experimento, onde podem ser usados para formar ondas de matéria coerentes em um BEC. Mas enquanto esses átomos estão sendo usados, novos átomos já estão a caminho para reabastecer o BEC. podemos manter o processo em andamento – essencialmente para sempre.”
Embora a ideia subjacente fosse relativamente simples, executá-la certamente não era. Chun-Chia Chen, primeiro autor da publicação na Nature, lembra: “Já em 2012, a equipe – ainda em Innsbruck – realizou uma técnica que permitiu que um BEC fosse protegido da luz de resfriamento a laser, permitindo pela primeira vez o resfriamento a laser todo o caminho até o estado degenerado necessário para ondas coerentes. Embora este tenha sido um primeiro passo crítico para o desafio de longa data de construir um laser atômico contínuo, também ficou claro que uma máquina dedicada seria necessária para levá-lo adiante. nos mudando para Amsterdã em 2013, começamos com um salto de fé, fundos emprestados, uma sala vazia e uma equipe inteiramente financiada por doações pessoais. Seis anos depois, nas primeiras horas da manhã de Natal de 2019, o experimento estava finalmente à beira de funcionando. Tivemos a ideia de adicionar um feixe de laser extra para resolver uma última dificuldade técnica, e instantaneamente todas as imagens que tiramos mostraram um BEC, o primeiro BEC de onda contínua.”
Tendo abordado o problema aberto de longa data de criar um Condensado de Bose-Einstein contínuo, os pesquisadores agora se concentraram no próximo objetivo: usar o laser para criar um feixe de saída estável de matéria. Uma vez que seus lasers podem não apenas operar para sempre, mas também podem produzir feixes estáveis, nada mais atrapalha as aplicações técnicas, e os lasers de matéria podem começar a desempenhar um papel tão importante na tecnologia quanto os lasers comuns atualmente.
Publicado em 20/06/2022 09h22
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