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Materiais Avançados

Cientistas criam magnetismo artificial usando lasers

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/12/2009

Cientistas criam magnetismo artificial usando lasers

[Imagem: JQI]

Um grupo de físicos norte-americanos usou a luz de dois feixes de laser para criar um "magnetismo sintético" - uma condição absolutamente exótica na qual átomos neutros repentinamente começam a se comportar como se fossem partículas carregadas eletricamente interagindo com um campo magnético.

O experimento é uma bancada de testes sem precedentes, que permitirá que os cientistas estudem os fundamentos da física e do comportamento dos objetos quânticos, criando mecanismos para compreender a natureza mais íntima da matéria - veja Confirmado: a matéria é resultado de flutuações do vácuo quântico.

Aplicações do magnetismo sintético

Pesquisas para a miniaturização dos circuitos eletrônicos, para o desenvolvimento de células solares mais eficientes, e até campos mais futurísticos, como a plasmônica, a spintrônica e a computação quântica, todas dependem do entendimento sobre como os elétrons se comportam em estruturas muito pequenas, a maioria com apenas duas dimensões, mas também unidimensionais.

O desafio é que o entendimento desse comportamento necessita de ambientes puros e limpos, nos quais estejam atuando apenas os fatores que os pesquisadores desejam estudar. Por exemplo, ao analisar o comportamento dos elétrons em um nanofio semicondutor, esses elétrons sofrerão a influência de impurezas existentes no material - e os cientistas não terão bases sólidas para afirmar que tal ou qual comportamento é uma propriedade do nanofio ou é resultado das impurezas existentes no nanofio.

Laboratório quântico

O magnetismo sintético, agora demonstrado pela primeira vez, fornece um ambiente de testes ideal, no qual os sistemas quânticos poderão ser modelados e examinados experimentalmente, com total controle sobre todos os parâmetros que influem sobre o sistema que está sendo estudado.

"A criação dos campos magnéticos sintéticos para átomos neutros ultrafrios vai permitir a realização de experimentos antes impossíveis de se fazer com esses sistemas quânticos supercomplexos," diz o Dr. Ian Spielman, coordenador da equipe.

Cientistas criam magnetismo artificial usando lasers
O magnetismo sintético deverá ajudar no entendimento do comportamento dos elétrons conforme eles ficam confinados em diversas geometrias, como acontece nos componentes eletrônicos reais, cada vez mais miniaturizados.
[Imagem: JQI]

Rota óptica para o magnetismo artificial

Os átomos ultrafrios a que o Dr. Spielman se refere formam um condensado de Bose-Einstein. Presos em uma armadilha magnética, sem nenhum contato direto com outro material, cerca de 250.000 átomos de rubídio-87 são resfriados a uma temperatura de 100 nano Kelvin, assumindo ume estado de baixíssima energia em que todos os átomos se comportam como se fossem um só - é por isso que o condensado de Bose-Einstein é chamado de átomo artificial.

Inicialmente os pesquisadores aplicaram um campo magnético espacialmente variável ao longo do átomo artificial - um magnetismo com diferentes intensidades em cada porção do condensado. A seguir, dois feixes de laser infravermelho, ajustados para emitirem duas frequências diferentes, mas muito próximas, e orientados para formar um ângulo de 90 graus entre si, foram disparados no átomo artificial.

O efeito cumulativo do gradiente do campo magnético e dos dois feixes de laser alterou as propriedades dos átomos de rubídio-87, particularmente seu momento ao longo de um dos eixos. Essa alteração depende da localização espacial de cada átomo dentro da armadilha magnética e da sua interação com os feixes de laser.

Os pesquisadores descobriram que essas diferenças podem ser ajustadas com precisão pelo simples controle da frequência de cada um dos lasers.

Na prática, é como conferir uma "carga" a subpopulações dos átomos neutros no interior do condensado de Bose-Einstein e criar um campo magnético artificial com o qual eles interagem.

Fronteira da física

Ao variar os feixes de laser e o gradiente magnético - controlando desta forma os momentos potenciais dos átomos em cada posição no interior do condensado - os átomos de pontos específicos passam a se mover de uma forma matematicamente equivalente à forma como uma partícula carregada se movimenta em um campo magnético, criando pequenos vórtices no interior do condensado.

O magnetismo sintético deverá ajudar no entendimento do comportamento dos elétrons conforme eles ficam confinados em diversas geometrias, como acontece nos componentes eletrônicos reais, cada vez mais miniaturizados.

Mas ajudará também nas pesquisas na fronteira da física, como na chamada Borboleta de Hofstadter e no efeito Hall quântico, quando os elétrons tendem naturalmente a seguir órbitas circulares, chamadas ciclotrônicas.

Bibliografia:

Artigo: Synthetic magnetic fields for ultracold neutral atoms
Autores: Y.-J. Lin, R. L. Compton, K. Jiménez-García, J. V. Porto, I. B. Spielman
Revista: Nature
Data: 3 December 2009
Vol.: 462, 628-632
DOI: 10.1038/nature08609






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