Os físicos do MIT desenvolveram uma técnica para organizar átomos (representados como esferas com setas) muito mais próximos do que era possível anteriormente, até 50 nanômetros. O grupo planeja usar o método para manipular átomos em configurações que poderiam gerar a primeira porta quântica puramente magnética – um alicerce fundamental para um novo tipo de computador quântico. Nesta imagem, a interação magnética é representada pelas linhas coloridas. Crédito: Cortesia dos pesquisadores; Notícias do MIT
A técnica abre possibilidades para explorar estados exóticos da matéria e construir novos materiais quânticos.
A proximidade é fundamental para muitos fenômenos quânticos, pois as interações entre os átomos são mais fortes quando as partículas estão próximas. Em muitos simuladores quânticos, os cientistas organizam os átomos o mais próximos possível para explorar estados exóticos da matéria e construir novos materiais quânticos.
Avanço no arranjo atômico
Eles normalmente fazem isso resfriando os átomos até ficarem imóveis e, em seguida, usando luz laser para posicionar as partículas a uma distância de até 500 nanômetros – um limite que é definido pelo comprimento de onda da luz. Agora, COM os físicos desenvolveram uma técnica que lhes permite organizar os átomos muito mais próximos, até apenas 50 nanômetros. Para contextualizar, um glóbulo vermelho tem cerca de 1.000 nanômetros de largura.
Os físicos demonstraram a nova abordagem em experimentos com disprósio, que é o material mais magnético átomo na natureza. Eles usaram a nova abordagem para manipular duas camadas de átomos de disprósio e posicionaram as camadas com precisão de 50 nanômetros uma da outra. Nesta proximidade extrema, as interações magnéticas eram 1.000 vezes mais fortes do que se as camadas estivessem separadas por 500 nanômetros.
Lasers de cores diferentes são usados para resfriar e capturar átomos de disprósio. Crédito: Cortesia dos pesquisadores
Efeitos magnéticos aprimorados
Além do mais, os cientistas conseguiram medir dois novos efeitos causados pela proximidade dos átomos. Suas forças magnéticas aprimoradas causaram “termalização”, ou transferência de calor de uma camada para outra, bem como oscilações sincronizadas entre camadas. Esses efeitos desapareceram à medida que as camadas foram mais espaçadas.
“Passamos do posicionamento dos átomos de 500 nanômetros para 50 nanômetros de distância, e há muito que você pode fazer com isso”, diz Wolfgang Ketterle, professor de física John D. MacArthur no MIT. “A 50 nanômetros, o comportamento dos átomos é tão diferente que estamos realmente entrando em um novo regime aqui.”
Ketterle e seus colegas dizem que a nova abordagem pode ser aplicada a muitos outros átomos para estudar fenômenos quânticos. Por sua vez, o grupo planeja usar a técnica para manipular átomos em configurações que poderiam gerar a primeira porta quântica puramente magnética – um alicerce fundamental para um novo tipo de computador quântico.
A equipe publicou seus resultados em 2 de maio na revista Ciência. Os coautores do estudo incluem o autor principal e estudante de pós-graduação em física Li Du, juntamente com Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond e Yu-Kun Lu – todos membros do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, do Departamento de Física, e o Laboratório de Pesquisa em Eletrônica do MIT.
Os alunos de pós-graduação Li Du, à esquerda, e Yu-Kun Lu ajustam a eletrônica de controle dos sistemas de laser. Crédito: Cortesia dos pesquisadores
Manipulando Átomos com Lasers
Para manipular e organizar átomos, os físicos normalmente primeiro resfriam uma nuvem de átomos a temperaturas próximas zero absolutoentão use um sistema de feixes de laser para encurralar os átomos em uma armadilha óptica.
A luz laser é uma onda eletromagnética com comprimento de onda específico (a distância entre os máximos do campo elétrico) e frequência. O comprimento de onda limita o menor padrão no qual a luz pode ser moldada a normalmente 500 nanômetros, o chamado limite de resolução óptica. Como os átomos são atraídos pela luz laser de certas frequências, os átomos serão posicionados nos pontos de pico de intensidade do laser. Por esta razão, as técnicas existentes têm sido limitadas na proximidade com que podem posicionar as partículas atómicas e não podem ser utilizadas para explorar fenómenos que ocorrem a distâncias muito mais curtas.
“As técnicas convencionais param em 500 nanômetros, limitadas não pelos átomos, mas pelo comprimento de onda da luz”, explica Ketterle. “Encontramos agora um novo truque com a luz onde podemos ultrapassar esse limite.”
A nova abordagem da equipa, tal como as técnicas atuais, começa por arrefecer uma nuvem de átomos – neste caso, a cerca de 1 microkelvin, apenas um fio de cabelo acima do zero absoluto – ponto em que os átomos ficam quase parados. Os físicos podem então usar lasers para mover as partículas congeladas nas configurações desejadas.
Então, Du e seus colaboradores trabalharam com dois feixes de laser, cada um com uma frequência, ou cor, diferente e polarização circular, ou direção do campo elétrico do laser. Quando os dois feixes viajam através de uma nuvem super-resfriada de átomos, os átomos podem orientar seu spin em direções opostas, seguindo qualquer uma das polarizações dos dois lasers. O resultado é que os feixes produzem dois grupos dos mesmos átomos, só que com spins opostos.
Cada feixe de laser formou uma onda estacionária, um padrão periódico de intensidade de campo elétrico com período espacial de 500 nanômetros. Devido às suas diferentes polarizações, cada onda estacionária atraiu e encurralou um dos dois grupos de átomos, dependendo do seu spin. Os lasers poderiam ser sobrepostos e ajustados de forma que a distância entre seus respectivos picos fosse tão pequena quanto 50 nanômetros, o que significa que os átomos gravitando em direção aos picos de cada laser seriam separados pelos mesmos 50 nanômetros.
Mas para que isso acontecesse, os lasers teriam que ser extremamente estáveis e imunes a todos os ruídos externos, como tremores ou mesmo respiração durante o experimento. A equipe percebeu que poderia estabilizar ambos os lasers direcionando-os através de uma fibra óptica, que servia para travar os feixes de luz um em relação ao outro.
“A ideia de enviar ambos os feixes através da fibra óptica significava que toda a máquina poderia tremer violentamente, mas os dois feixes de laser permaneceram absolutamente estáveis um em relação ao outro”, diz Du.
Forças Magnéticas e Fenômenos Quânticos
Como primeiro teste da sua nova técnica, a equipa utilizou átomos de disprósio – um metal de terras raras que é um dos elementos magnéticos mais fortes da tabela periódica, particularmente a temperaturas ultrabaixas. No entanto, na escala dos átomos, as interações magnéticas do elemento são relativamente fracas em distâncias de até 500 nanômetros. Tal como acontece com os ímãs de geladeira comuns, a atração magnética entre os átomos aumenta com a proximidade, e os cientistas suspeitaram que se sua nova técnica pudesse espaçar os átomos de disprósio a uma distância de até 50 nanômetros, eles poderiam observar o surgimento de interações fracas entre os átomos magnéticos.
“Poderíamos de repente ter interações magnéticas, que costumavam ser quase insignificantes, mas agora são muito fortes”, diz Ketterle.
A equipe aplicou sua técnica ao disprósio, primeiro super-resfriando os átomos e depois passando dois lasers para dividir os átomos em dois grupos de spin, ou camadas. Eles então direcionaram os lasers através de uma fibra óptica para estabilizá-los e descobriram que, de fato, as duas camadas de átomos de disprósio gravitavam em torno de seus respectivos picos de laser, o que na verdade separava as camadas de átomos em 50 nanômetros – a distância mais próxima que qualquer átomo ultrafrio experimento foi capaz de alcançar.
Nesta proximidade extremamente próxima, as interações magnéticas naturais dos átomos foram significativamente melhoradas e eram 1.000 vezes mais fortes do que se estivessem posicionados a 500 nanômetros de distância. A equipe observou que essas interações resultaram em dois novos fenômenos quânticos: oscilação coletiva, na qual as vibrações de uma camada faziam a outra camada vibrar em sincronia; e termalização, em que uma camada transferia calor para a outra, puramente através de flutuações magnéticas nos átomos.
“Até agora, o calor entre os átomos só podia ser trocado quando eles estavam no mesmo espaço físico e podiam colidir”, observa Du. “Agora vimos camadas atômicas, separadas pelo vácuo, e elas trocam calor por meio de campos magnéticos flutuantes.”
Implicações para a tecnologia quântica
Os resultados da equipe apresentam uma nova técnica que pode ser usada para posicionar muitos tipos de átomos próximos. Eles também mostram que os átomos, colocados suficientemente próximos uns dos outros, podem exibir fenômenos quânticos interessantes, que poderiam ser aproveitados para construir novos materiais quânticos e, potencialmente, sistemas atômicos acionados magneticamente para computadores quânticos.
“Estamos realmente trazendo métodos de super-resolução para o campo, e isso se tornará uma ferramenta geral para fazer simulações quânticas”, diz Ketterle. “Existem muitas variantes possíveis, nas quais estamos trabalhando.”
Referência: “Física atômica em escala de 50 nm: Realização de um sistema de duas camadas de átomos dipolares” por Li Du, Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond, Yu-Kun Lu e Wolfgang Ketterle, 2 de maio de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adh3023
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela National Science Foundation e pelo Departamento de Defesa.
