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Sensor de diamante dirá se gravidade é quântica ou não

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/09/2020

Sensor de diamante poderá dizer se gravidade é quântica ou não
A força da gravidade é um dos grandes mistérios que a Física ainda não consegue explicar.
[Imagem: Ana Kova/Sandbox Studio]

A gravidade é quântica?

Um grupo de físicos estava trabalhando em uma forma de descobrir se a gravidade é um fenômeno quântico ou não - se existe alguma coisa como um gráviton, uma "partícula" de gravidade, ou se a força da gravidade pode ser quantizada.

Acontece que eles atiraram no que ninguém até agora conseguiu ver - as tais partículas de gravidade -, mas acertaram no que já conseguimos ver: as ondas gravitacionais.

O resultado do trabalho é um projeto de um detector de ondas gravitacionais que promete substituir os observatórios quilométricos, como o LIGO e o VIRGO, por um aparelho que cabe em cima de uma mesa.

Além disso, este sensor será sensível a frequências mais baixas do que os detectores atuais e ainda será fácil apontá-lo para partes específicas do céu - os detectores atuais só "enxergam" um ponto fixo.

Na verdade, o sensor será tão sensível que será possível usá-lo para o objetivo inicial dos físicos: Saber se a gravidade é quântica ou não.

Sensor de gravidade

O coração do novo detector é a conhecida "vacância de nitrogênio", um defeito no diamante que já está sendo explorado como sensor para monitorar condições extremas e até mesmo com qubit de computador quântico.

No diamante, eventualmente um átomo de carbono é substituído por um átomo de nitrogênio. Esse nitrogênio introduz um espaço livre na banda de valência, que pode ser preenchido com um elétron extra. Quando esse elétron recebe energia, de um laser, por exemplo, ele pode absorver ou não a energia do fóton - se ele absorver, isso altera seu spin, um momento magnético que pode ser "para cima" ou "para baixo".

"Exatamente como o gato de Schrodinger, que está vivo e morto ao mesmo tempo, esse spin do elétron absorve e não absorve a energia do fóton, de modo que seu spin é para cima e para baixo. Este fenômeno é chamado de superposição quântica. Como o elétron é parte do diamante, o objeto inteiro - com uma massa de cerca de 10-17 quilogramas, o que é enorme para fenômenos quânticos, está em superposição quântica," explica o professor Anupam Mazumdar, da Universidade de Groningen, na Alemanha.

Sensor de diamante poderá dizer se gravidade é quântica ou não
A busca da superposição quântica em objetos grandes é um dos grandes desafios atuais da física.
[Imagem: Kahan Dare]

Mas o que isso tem a ver com as ondas de gravidade, que são essencialmente contrações do espaço-tempo?

Quem explica é o próprio professor Mazumdar: "Temos um diamante que tem spin para cima e para baixo ao mesmo tempo. Aplicando um campo magnético, é possível separar os dois estados quânticos. Quando esses estados quânticos são reunidos novamente, desligando o campo magnético, eles criarão um padrão de interferência. A natureza dessa interferência depende da distância que os dois estados quânticos separados viajaram. E isso pode ser usado para medir ondas de gravidade. Essas ondas são contrações do espaço, de modo que sua passagem afeta a distância entre os dois estados separados e, portanto, o padrão de interferência."

Desafios tecnológicos

Na verdade, quando construído e devidamente controlado, esse sensor atômico de diamante poderá fazer muito mais do que isso: Se essa superposição quântica, em escala mesoscópica, puder ser mantida por tempo suficiente, ela permitirá medir uma infinidade de coisas, incluindo ajudar os físicos a resolver seu problema original: descobrir se a gravidade é um fenômeno quântico ou não.

O conceito é que, como o entrelaçamento é um fenômeno quântico, se dois objetos que interagem apenas por meio da gravidade apresentarem entrelaçamento, isso provará que a gravidade é um fenômeno quântico.

Agora começa a parte difícil da empreitada, já que, para funcionar, esse sensor precisará estar o mais próximo possível do zero absoluto, para se livrar de qualquer interferência, e ainda estar dentro de um vácuo de 10-15 Pascal.

"A tecnologia para construir esses sistemas pode levar algumas décadas para ser desenvolvida," reconhece Mazumdar. "Já existe tecnologia para atingir alto vácuo ou baixa temperatura, mas precisamos da tecnologia para alcançar ambos ao mesmo tempo. Além disso, o campo magnético deve ser constante. Qualquer flutuação derrubaria a superposição quântica."

Bibliografia:

Artigo: Mesoscopic interference for metric and curvature & gravitational wave detection
Autores: Ryan J Marshman, Anupam Mazumdar, Gavin W Morley, Peter F Barker, Steven Hoekstra, Sougato Bose
Revista: New Journal of Physics
DOI: 10.1088/1367-2630/ab9f6c
Link: https://arxiv.org/abs/2007.15029

Artigo: Relative Acceleration Noise Mitigation for Entangling Masses via Quantum Gravity
Autores: M. Toro, T. W. van de Kamp, R. J. Marshman, M. S. Kim, A. Mazumdar, S. Bose
Revista: arXiv





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