O tunelamento quântico permite que as partículas contornem as barreiras de energia. Um novo método foi proposto para medir o tempo que as partículas levam para tunelar, o que poderia desafiar afirmações anteriores sobre velocidades de tunelamento superluminais. Este método envolve o uso de átomos como relógios para detectar diferenças sutis de tempo. Crédito: SciTechDaily.com
Num fenômeno surpreendente da física quântica conhecido como tunelamento, as partículas parecem se mover mais rápido que a velocidade da luz. No entanto, os físicos de Darmstadt acreditam que o tempo que as partículas levam para formar um túnel tem sido medido incorretamente até agora. Eles propõem um novo método para interromper a velocidade das partículas quânticas.
Na física clássica, existem regras rígidas que não podem ser contornadas. Por exemplo, se uma bola rolante não tiver energia suficiente, ela não ultrapassará uma colina, mas dará meia-volta antes de chegar ao topo e inverterá sua direção. Na física quântica, este princípio não é tão rigoroso: uma partícula pode passar uma barreira, mesmo que não tenha energia suficiente para ultrapassá-la. Ele age como se estivesse deslizando por um túnel, razão pela qual o fenômeno também é conhecido como “tunelamento quântico”. O que parece mágico tem aplicações técnicas tangíveis, por exemplo, em unidades de memória flash.
Tunelamento Quântico e Relatividade
No passado, experimentos em que as partículas formavam um túnel mais rápido que a luz atraíram alguma atenção. Afinal, a teoria da relatividade de Einstein proíbe velocidades mais rápidas que a da luz. A questão é, portanto, se o tempo necessário para o tunelamento foi “interrompido” corretamente nesses experimentos. Os físicos Patrik Schach e Enno Giese da TU Darmstadt seguem uma nova abordagem para definir o “tempo” para uma partícula em túnel. Eles propuseram agora um novo método para medir esse tempo. Em seu experimento, eles medem isso de uma forma que acreditam ser mais adequada à natureza quântica do tunelamento. Eles publicaram o projeto de seu experimento na renomada revista Avanços da Ciência.
Dualidade Onda-Partícula e Tunelamento Quântico
De acordo com a física quântica, pequenas partículas como átomos ou partículas leves têm uma natureza dupla.
Dependendo do experimento, eles se comportam como partículas ou como ondas. O tunelamento quântico destaca a natureza ondulatória das partículas. Um “pacote de ondas” rola em direção à barreira, comparável a uma onda de água. A altura da onda indica a probabilidade com que a partícula se materializaria neste local se a sua posição fosse medida. Se o pacote de ondas atingir uma barreira de energia, parte dele será refletido. Porém, uma pequena porção penetra na barreira e há uma pequena probabilidade de que a partícula apareça do outro lado da barreira.
Reavaliando a velocidade do túnel
Experimentos anteriores observaram que uma partícula de luz percorreu uma distância maior após o tunelamento do que aquela que tinha um caminho livre. Teria, portanto, viajado mais rápido que a luz. Porém, os pesquisadores tiveram que definir a localização da partícula após sua passagem. Eles escolheram o ponto mais alto do seu pacote de ondas.
“Mas a partícula não segue uma trajetória no sentido clássico”, objeta Enno Giese. É impossível dizer exatamente onde a partícula está em um determinado momento. Isto torna difícil fazer declarações sobre o tempo necessário para ir de A a B.
Uma nova abordagem para medir o tempo de tunelamento
Schach e Giese, por outro lado, são guiados por uma citação de Albert Einstein: “Tempo é o que você lê no relógio”. Eles sugerem usar a própria partícula de tunelamento como um relógio. Uma segunda partícula que não faz túnel serve como referência. Ao comparar esses dois relógios naturais, é possível determinar se o tempo passa mais devagar, mais rápido ou igualmente rápido durante o tunelamento quântico.
A natureza ondulatória das partículas facilita esta abordagem. A oscilação das ondas é semelhante à oscilação de um relógio. Especificamente, Schach e Giese propõem o uso de átomos como relógios. Os níveis de energia dos átomos oscilam em certas frequências. Depois de abordar um átomo com um pulso de laser, seus níveis inicialmente oscilam de forma sincronizada – o relógio atômico é acionado. Durante o tunelamento, entretanto, o ritmo muda ligeiramente. Um segundo pulso de laser faz com que as duas ondas internas do átomo interfiram. A detecção da interferência permite medir a distância entre as duas ondas dos níveis de energia, o que por sua vez é uma medida precisa do tempo decorrido.
Um segundo átomo, que não faz túnel, serve como referência para medir a diferença de tempo entre o túnel e o não túnel. Cálculos dos dois físicos sugerem que a partícula em túnel apresentará um tempo ligeiramente atrasado. “O relógio que está no túnel é um pouco mais antigo que o outro”, diz Patrik Schach. Isto parece contradizer experimentos que atribuíram velocidade superluminal ao tunelamento.
O desafio de implementar o experimento
Em princípio, o teste pode ser realizado com a tecnologia atual, diz Schach, mas é um grande desafio para os experimentadores. Isso ocorre porque a diferença de tempo a ser medida é de apenas cerca de 10-26 segundos – um tempo extremamente curto. Ajuda usar nuvens de átomos como relógios em vez de átomos individuais, explica o físico. Também é possível amplificar o efeito, por exemplo, aumentando artificialmente as frequências do clock.
“Atualmente estamos discutindo essa ideia com colegas experimentais e em contato com nossos parceiros de projeto”, acrescenta Giese. É bem possível que em breve uma equipe decida realizar este experimento emocionante.
Referência: “Uma teoria unificada dos tempos de tunelamento promovida pelos relógios Ramsey” por Patrik Schach e Enno Giese, 19 de abril de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adl6078
