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Materiais Avançados

Matéria quântica usa átomos artificiais para criar cristais indecisos

Com informações do MPQ - 21/12/2012

Matéria quântica usa átomos artificiais para criar cristais indecisos
Rede atômica artificial formado por cinco átomos de Rydberg - em verde, átomos no estado fundamental; em vermelho, átomos de Rydberg; em violeta, a esfera de influência dos átomos de Rydberg.
[Imagem: MPQ/Quantum Many-Body Systems Division]

Matéria quântica

Tanto os valiosos diamantes quanto o grafite comum são formados exatamente pelos mesmos átomos de carbono.

A diferença sutil, mas importante, entre os dois é a configuração geométrica desses átomos, com enormes consequências para as propriedades dos dois materiais.

Não há como o material ser diamante e grafite ao mesmo tempo.

No entanto, esta limitação não vale para a "matéria quântica", conforme acaba de ser demonstrado por cientistas do Instituto Max Planck e da Universidade Ludwig-Maximilians, na Alemanha.

Toda matéria é quântica em essência, mas os experimentos realizados com átomos artificiais mostram que fenômenos muito estranhos podem surgir quando a matéria é manipulada em estados muito especiais.

Estados exóticos da matéria

Os cientistas colocaram gases quânticos ultrafrios sob a influência de raios laser, criando átomos artificiais que se organizam para formar estruturas geométricas, similares às estruturas atômicas que os átomos tradicionais dos elementos da Tabela Periódica assumem para formar cristais.

Mas, em contraste com os cristais clássicos, todas as configurações possíveis para essas estruturas atômicas quânticas podem existir ao mesmo tempo - elas ficam em superposição.

De forma semelhante à situação do gato de Schrodinger, que está tanto "morto" quanto "vivo" até que alguém olhe para ele, a comparação com o mundo clássico diria que, no mundo da matéria quântica, seu mineral será diamante e grafite ao mesmo tempo, até que você olhe para ele - então ele se decidirá, e você terá diamante ou grafite.

É apenas uma comparação ilustrativa com os materiais do mundo clássico, mas os pesquisadores mostraram que tudo funciona realmente assim quando suas partículas artificiais são postas em um estado de alta energia conhecido como átomos de Rydberg.

"Nosso experimento demonstra o potencial dos gases de Rydberg para construir estados exóticos da matéria, estabelecendo assim a base para simulações quânticas de, por exemplo, ímãs quânticos," disse o professor Immanuel Bloch.

Matéria quântica usa átomos artificiais para criar cristais indecisos
Cristais formados pelos átomos artificiais: em cima as simulações feitas por computador; embaixo, o cristal observado experimentalmente.
[Imagem: MPQ/Quantum Many-Body Systems Division]

Cristal quântico

O experimento começa com o resfriamento de um conjunto de algumas centenas de átomos de rubídio até temperaturas próximas ao zero absoluto, e captura esses átomos em uma armadilha de luz.

A nuvem atômica é então sobreposta com um campo de luz periódico - uma estrutura chamada rede óptica, que cria um preenchimento quase uniforme na região central da armadilha.

No passo seguinte, a luz de um laser é aplicada para passar os átomos artificiais, formados pela armadilha, para o estado de Rydberg, no qual a camada mais externa de elétrons desloca-se para uma distância enorme do núcleo atômico.

Como resultado, a área de influência destes átomos infla como um balão, por um fator de cerca de 10.000, atingindo um diâmetro comparativamente "gigantesco" de vários micrômetros - um décimo do diâmetro de um fio de cabelo.

Estes superátomos interagem por meio das forças de van der Waals, que atuam a longa distância.

Quais as propriedades essa estrutura cristalina artificial terá depende da mecânica quântica, e é necessário medir a excitação para saber em qual estrutura a matéria quântica irá colapsar e se revelar - por exemplo, em nossa ilustração, "diamante ou carvão".

Contudo, mantido o padrão de cada estado de excitação única, tudo o que ocorre com esses átomos artificiais pode ser descrito pela mecânica clássica.

"Este novo estado da matéria é muito frágil; ele existe enquanto a excitação é sustentada, e desaparece tão logo o laser é desligado," disse o Dr. Marc Cheneau, coautor do estudo.

Bibliografia:

Artigo: Observation of spatially ordered structures in a two-dimensional Rydberg gas
Autores: Peter Schaub, Marc Cheneau, Manuel Endres, Takeshi Fukuhara, Sebastian Hild, Ahmed Omran, Thomas Pohl, Christian Gross, Stefan Kuhr, Immanuel Bloch
Revista: Nature
Vol.: 491, 87-91
DOI: 10.1038/nature11596






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