Mecânica

Atingida temperatura abaixo do limite quântico

Físicos atingem temperatura abaixo do limite quântico
O tambor, de 20 micrômetros de diâmetro e 100 nanômetros de espessura, bate 10 milhões de vezes por segundo, liberando fônons que extraem todo o calor.[Imagem: Teufel/NIST]

Abaixo do limite quântico

Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) dos EUA resfriaram um objeto mecânico a uma temperatura menor do que se acreditava ser possível - abaixo do chamado "limite quântico".

O tambor microscópico - uma membrana de alumínio - foi resfriado a menos de um quinto de um único quantum, ou pacote de energia, portanto abaixo do mínimo previsto pela física quântica.

O mecanismo atingiu uma temperatura de cerca de 360 microkelvin, ou 10.000 vezes mais frio do que o vácuo do espaço - e também muito mais frio do que o metro cúbico mais frio do Universo, criado em laboratório para estudar a antimatéria.

Vencido este limite que se considerava insuperável, a equipe agora acredita que esta nova técnica poderá ser usada para resfriar objetos até o zero absoluto, a temperatura na qual a matéria perde praticamente toda energia e movimento.

Aplicações práticas

"Quanto mais você esfriar o tambor, melhor é para qualquer aplicação," disse o professor John Teufel, que liderou o experimento. "Os sensores se tornam mais sensíveis. Você pode armazenar informações por mais tempo. Se você estiver usando um computador quântico, então pode fazer cálculos sem distorção, e realmente obterá a resposta desejada."

"Os resultados foram uma completa surpresa para os especialistas na área," disse seu colega José Aumentado. "É uma experiência muito elegante que certamente terá um grande impacto."

Resfriamento com luz comprimida

A técnica é uma derivação do resfriamento a laser, no qual a luz altamente organizada do laser amortece as vibrações térmicas, retardando o movimento aleatório dos átomos. Como quanto mais organizada for a luz, mais calor pode ser extraído, a equipe decidiu usar luz comprimida, uma espécie de luz com ondas miniaturizadas, que é mais organizada do que o laser em uma orientação específica.

A luz, neste caso, é radiação eletromagnética na frequência das micro-ondas. Quando atingem o espaço abaixo da membrana do tambor, as micro-ondas ficam rebatendo dentro dessa cavidade eletromagnética, fazendo com que o tambor vibre em seu próprio "tom".

Cada batida do tambor gera partículas leves, ou fótons, que correspondem naturalmente à maior frequência de ressonância da cavidade. Esses fótons escapam da cavidade à medida que ela se enche e, conforme cada fóton escapa ele leva consigo uma unidade mecânica de energia - um fônon - gerando o resfriamento.

Este é o mesmo princípio do resfriamento a laser de átomos individuais, amplamente utilizado em aplicações como os relógios atômicos.

Bibliografia:

Sideband cooling beyond the quantum backaction limit with squeezed light
Jeremy B. Clark, Florent Lecocq, Raymond W. Simmonds, José Aumentado, John D. Teufel
Nature
Vol.: 541, 191-195
DOI: 10.1038/nature20604




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