Pureza quântica é obtida a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/08/2025

O objeto (centro da imagem) é preso usando uma armadilha de laser. A luz do laser, focada por uma lente, é mostrada em vermelho.
[Imagem: Lorenzo Dania / ETH Zurich]

Do clássico ao quântico

Quando falamos de experimentos, materiais ou tecnologias quânticas, estamos falando de experimentos, materiais e tecnologias onde os elementos constituintes seguem as leis da mecânica quântica, e não da mecânica clássica.

Para observar essas leis e os comportamentos delas resultantes, precisamos usar como peças partículas como átomos, no máximo moléculas, e ainda assim precisamos resfriar tudo até perto do zero absoluto, para que essas partículas sosseguem o suficiente para poderem ser controladas.

Mas ninguém quer essa limitação. Ainda não sabemos se existe uma fronteira entre o mundo clássico e o mundo quântico, mas já sabemos que, se quisermos tornar tecnicamente utilizáveis as propriedades do mundo quântico, precisaremos descobrir se, e como, objetos significativamente maiores do que átomos e moléculas podem apresentar fenômenos quânticos.

Lorenzo Dania e colegas da Áustria e da Suíça acabam de dar um passo de gigante nesse sentido: Eles conseguiram estabilizar objetos relativamente grandes a tal ponto que eles se movem quase exclusivamente de uma maneira determinada pela física quântica - e não apenas quando eles são resfriados perto do zero absoluto, mas até mesmo à temperatura ambiente.

Estado fundamental

Na vida cotidiana, presumimos que é possível ocorrer qualquer tipo de oscilação. Por exemplo, o pêndulo de um relógio pode ser girado em qualquer ângulo e pode oscilar um pouco mais forte ou um pouco mais fraco. No mundo quântico, porém, as coisas são diferentes: Se observarmos oscilações com energia muito baixa, descobriremos que existem "quanta de oscilação" muito específicos.

Assim, existe uma vibração mínima, conhecida como "estado fundamental", uma vibração ligeiramente mais alta, que carrega um pouco mais de energia (o "primeiro estado excitado"), e assim por diante. Enquanto no mundo clássico as coisas são contínuas, não há estados intermediários no mundo quântico. Mas há algumas "vantagens": A partícula pode existir em uma combinação de diferentes estados de vibração, uma superposição de vibrações diferentes, o que é um dos conceitos centrais da física quântica.

Quanto tentamos "unificar", ou fazer uma ponte, entre os reinos clássico e quântico, precisamos então colocar partículas cada vez maiores em estados nos quais essas propriedades quânticas se tornam aparentes e mensuráveis. Hoje, isso só funciona com partículas na escala atômica e molecular quando você as coloca próxima do seu estado fundamental, ou seja, próximo do zero absoluto.

Agora, os pesquisadores desenvolveram uma técnica que permite que um aspecto muito específico das partículas seja levado a um estado físico quântico, mesmo que a própria partícula esteja em um estado quente e desordenado.

Laser atingindo as partículas de vidro mantidas em levitação.
[Imagem: Lorenzo Dania (ETHZ)]

Pureza quântica

O experimento consiste em três nanoesferas de vidro grudadas umas nas outras para formar um aglomerado em forma de torre, semelhante a quando você empilha três bolas de sorvete uma sobre a outra. Com a ajuda de um dispositivo óptico e feixes de laser, os pesquisadores conseguiram manter esses objetos quase completamente imóveis, em levitação.

Isso é significativo para o desenvolvimento de sensores e de computadores quânticos, que atualmente são as aplicações mais promissoras da pesquisa quântica.

"Usamos uma nanopartícula que não é perfeitamente redonda, mas ligeiramente elíptica," explicou Carlos Ballestero, do Instituto Federal de Tecnologia (ETH) de Zurique, na Suíça. "Quando você segura uma partícula dessas em um campo eletromagnético, ela começa a girar. Nossa pergunta era: Podemos ver as propriedades quânticas dessa vibração rotacional? Podemos extrair energia desse movimento rotacional até que ele esteja principalmente no estado fundamental quântico?"

Um sistema de espelhos e um laser deram conta do recado. "O laser pode fornecer energia à nanopartícula ou retirar energia dela," detalhou Ballestero. "Ajustando os espelhos de forma adequada, é possível garantir que a energia seja extraída com alta probabilidade e adicionada apenas com baixa probabilidade. A energia do movimento rotacional, portanto, diminui até nos aproximarmos do estado fundamental quântico."

Isso tornou possível criar um estado significativamente "mais puro" em termos de física quântica do que era possível anteriormente com partículas semelhantes, e sem necessidade de resfriamento - os pesquisadores chamam essa situação de "pureza quântica".

"Isso permite que a energia do movimento rotacional seja reduzida de forma muito eficaz, sem a necessidade de reduzir a energia térmica interna da nanopartícula ao mesmo tempo. Surpreendentemente, a rotação pode congelar, por assim dizer, mesmo que a própria partícula tenha uma alta temperatura," concluiu Ballestero.

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