Movimento quântico observado pela primeira vez

Pela primeira vez, uma equipa de investigadores e colaboradores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos, encontrou uma forma de observar – e controlar – o movimento quântico de um objeto que é grande o suficiente para se ver.

Seus resultados foram publicados na edição online da revista Science.

Pense no pêndulo de um relógio. Se se esquecer de dar corda, eventualmente o pêndulo ficará em repouso, imóvel. No entanto, esta simples observação – de que os objetos físicos podem estar imóveis – é válida apenas ao nível da física clássica, que engloba as leis e princípios que explicam a física de objetos relativamente grandes, à escala humana.

No entanto, na mecânica quântica – as regras que governam o comportamento fundamental da matéria e da luz em escala atómica -, nada pode estar completamente em repouso.

“Nos últimos dois anos, a minha equipa e algumas outras equipas por todo o mundo tentámos a congelar o movimento de um pequeno objeto de escala micrométrica para produzir este estado fundamental quântico”, diz Keith Schwab, professor de física e física aplicada da Caltech, que liderou o estudo, ao portal Phys.org.

“Mas sabemos que, mesmo no estado fundamental quântico, à temperatura zero, as flutuações de amplitude muito pequenas – ou ruídos – permanecem”.

Vibração e baixas temperaturas

Como este movimento quântico, ou ruído, é teoricamente uma parte intrínseca do movimento de todos os objetos, Schwab e os seus colegas projetaram um dispositivo que lhes permite observar esse ruído e, em seguida, manipulá-lo.

O dispositivo em escala micrométrica consiste numa placa de alumínio flexível, que fica sobre um substrato de silício. A placa é acoplada a um circuito elétrico supercondutor à medida que vibra a uma taxa de 3,5 milhões de vezes por segundo.

De acordo com as leis da mecânica clássica, as estruturas vibratórias, eventualmente, chegam a um descanso completo se arrefecidas até o estado fundamental.

Mas não é isso que Schwab e os seus colegas observaram quando realmente arrefeceram a mola até o estado fundamental nas suas experiências. Em vez disso, a energia residual – o ruído quântico – permaneceu.

“Essa energia é parte da descrição do quantum da natureza – simplesmente não podemos tirá-la”, explica Schwab.

“Todos sabemos que a mecânica quântica explica precisamente porque é que os eletrões se comportam de forma estranha. Aqui, estamos a aplicar a física quântica a algo que é relativamente grande, um dispositivo que pode ser visto ao microscópio ótico, e estamos a ver os efeitos quânticos em um bilião de átomos em vez de apenas um”.

Precisão nas medições

Como este movimento de quantum ruidoso está sempre presente e não pode ser removido, ele impõe um limite fundamental de como se pode medir com precisão a posição de um objeto.

Esse limite, Schwab e os seus colegas descobriram, não é insuperável.

Os coautores Aashish Clerk, da Universidade McGill, e Florian Marquardt, do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, propuseram um novo método para controlar esse ruído quântico, esperando que fosse reduzido periodicamente. A técnica foi então implementada num dispositivo mecânico de microescala no laboratório de baixa temperatura de Schwab na Caltech.

“Há duas variáveis ​​principais que descrevem o ruído ou movimento”, explica Schwab. “Nós mostramos que podemos tornar menores as flutuações de uma das variáveis – à custa de aumentar as flutuações quânticas da outra variável. Isto é o chamado estado quântico espremido; nós esprememos o ruído em um lugar, mas, devido a esta compressão, o ruído tem que sair através de outros lugares. Contudo, desde que estes lugares mais ruidosos não sejam o lugar no qual estamos a fazer a medição, isto não importa”.

A capacidade de controlar o ruído quântico poderia um dia ser usada para melhorar a precisão das medições muito sensíveis, como as obtidas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (LIGO, do inglês Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory), um projeto liderado pela Caltech e pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) à procura de sinais de ondas gravitacionais – ondulações no tecido do espaço-tempo.

“Temos pensado muito sobre usar esses métodos para detetar ondas gravitacionais de pulsares – estrelas incrivelmente densas que têm a massa de nosso Sol comprimida num raio de 10 km e com rotação de 10 a 100 vezes por segundo”, explica Schwab. De acordo com artigos da década de 1970, estes pulsares deveriam estar a emitir ondas gravitacionais que são quase perfeitamente periódicas.

Para fazer isto, o dispositivo atual teria de ser aumentado. “O nosso trabalho tem como objetivo detetar a mecânica quântica em escalas cada vez maiores, e a nossa esperança é que um dia isso acabará por tocar em algo tão grande como as ondas gravitacionais”, conclui o investigador.

ZAP / HypeScience

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