Experimento em laboratório da Universidade da Flórida corrige previsão na teoria quântica

GAINESVILLE, Flórida - Uma equipe internacional de cientistas está reescrevendo uma página do livro de regras da física quântica usando um laboratório da Universidade da Flórida (UF), uma vez apelidado o local mais frio no universo.

Muito do que sabemos sobre a mecânica quântica é teórico e testado através de modelos de computador porque os sistemas quânticos, como elétrons orbitando em volta do núcleo de um átomo, são difíceis de definir em observação.

Pode-se, no entanto, diminuir a velocidade das partículas e capturá-las no momento quântico submetendo-os a temperaturas extremamente baixas.

Uma nova pesquisa, publicada na edição de 20 de setembro da revista Nature, descreve como esta abordagem de imagem congelada foi recentemente utilizada para derrubar uma regra de ouro aceita na teoria quântica.

"Estamos na era da mecânica quântica", disse Neil Sullivan, um professor da UF de física e diretor do National High Magnetic Field Laboratory High B/T Facility no campus da UF - lar do laboratório Microkelvin onde os experimentos podem ser realizados em temperaturas próximas do zero-absoluto. "Se você fez uma ressonância magnética, você fez uso de uma tecnologia quântica."

Lab Microkelvin

O imã que equipa um scanner de uma ressonância magnética é uma bobina supercondutora transformado em um estado quântico por hélio líquido muito frio. Dentro da bobina a corrente elétrica flui sem resistência.

Imãs quânticos e outras ocorrências estranhas, quase de outro mundo na mecânica quântica poderiam inspirar os próximos grandes avanços em computação, de energia alternativa e tecnologias de transporte como trens magnéticos levitando, disse Sullivan.

É aí que o laboratório Microkelvin aparece. Ele é uma das poucas instalações no mundo equipadas para oferecer as temperaturas extremamente frias necessárias para retardar o que Sullivan chama de "desregrado" mundo de sistemas quânticos em temperaturas normais para um ritmo administrável onde pode ser observado e manipulado.

"A temperatura ambiente é de aproximadamente 300 kelvin", disse Sullivan."A temperatura do hidrogênio líquido bombeado para um foguete no Kennedy Space Center é de 20 kelvin."

Os físicos precisam esfriar as coisas para um millikelvin, um milésimo de kelvin acima do zero absoluto, ou  -459,67 graus Fahrenheit (-273,15 °C), para trazer a matéria para um reino diferente, onde propriedades quânticas podem ser exploradas.

Um estado fundamental da mecânica quântica que os cientistas estão interessados ​​em entender mais plenamente é uma fase frágil, efêmera da matéria chamado de Condensado de Bose-Einstein. É uma condição difícil de induzir em um ambiente de laboratório, mas que os pesquisadores precisam explorar para verem se a tecnologia está completa para adentrar nas minúcias das propriedades do mundo quântico.

Dois teóricos, Tommaso Roscilde da Universidade de Lyon, França, eYu Rong da Universidade Rice, em Houston, desenvolveram as ideiassubjacentes ao estudo e pediram a um colega, Armando Paduan-Filho, da Universidade de São Paulo, no Brasil, para projetar aamostra cristalina utilizada na experiência.
"Nossas medições definitivamente testaram uma previsão importante sobre um determinado comportamento em um condensado de Bose-Einstein", disse Vivien Zapf, um cientista da equipe do National High Magnetic Field Laboratory em Los Alamos e uma força motriz por trás da colaboração internacional.

O experimento acompanhou a rotação atômica (spin) de partículas subatômicas chamadas bósons no cristal para ver quando a transição para o Bose-Einstein foi atingido, e então mais arrefecida a amostra para documentar o ponto exato onde as propriedades condensado decaiu. Eles observaram o fenômeno esperado quando resfriaram a amostra para uma temperatura de um millikelvin.

O cristal utilizado no experimento foi dopado com impurezas, em um esforço para aproximar de um cenário do mundo real, Zapf disse. "É bom saber o que acontece em amostras puras, mas o mundo real, é confuso e precisamos saber o que as regras quânticas são nessas situações."

"Todo o mundo deve estar vendo o que acontece quando descobrimos propriedades de sistemas a estas temperaturas extremamente baixas", disse Sullivan.
Suas descobertas literalmente reescreveram as regras para prever as condições em que a transição poderia ocorrer entre os dois estados quânticos.

Créditos

Escritor

Donna Hesterman, donna.hesterman @ ufl.edu