Captando os momentos mais curtos

Os três ganhadores do Nobel de Física 2023 estão sendo reconhecidos por seus experimentos no âmbito da física quântica, que deram à humanidade novas ferramentas para explorar o mundo dos elétrons dentro dos átomos e moléculas.

© Revista Física (nuvem eletrônica)

Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier demonstraram uma maneira de criar pulsos de luz extremamente curtos que podem ser usados para medir os processos rápidos nos quais os elétrons se movem ou mudam de energia. 

Em 1987, a física francesa Anne L'Huillier, professora de Física Atômica na Universidade de Lund, Suécia, descobriu que quando a luz laser infravermelha era transmitida por meio de um gás nobre surgiam muitos tons diferentes de luz. Depois disso, a cientista continuou explorando o fenômeno, preparando a construção para descobertas posteriores. Ela é a quinta mulher a ganhar um Prêmio Nobel de Física, seguindo a Marie Curie (1903), Maria Goeppert-Mayer (1963), Donna Strickland (2018) e Andrea Ghez (2020). 

Já o franco-americano Pierre Agostini, professor da Universidade Estadual de Ohio, EUA, conseguiu em 2001 produzir e investigar uma série de pulsos de luz consecutivos, em que cada pulso durava apenas 250 attosegundos, inventando com a sua equipe o chamado RABBIT, ou seja, a reconstrução de batimentos de attossegundos por interferência de transições de dois fótons. 

Na mesma época, um experimento científico do húngaro Ferenc Krausz, professor da Ludwig-Maximilians-University Munique, Alemanha, possibilitou o isolamento de um único pulso de luz com duração de 650 attosegundos. 

As contribuições dos laureados permitiram a pesquisa de processos tão rápidos que antes eram impossíveis de acompanhar. Um pequeno colibri pode bater as asas 80 vezes por segundo. Só conseguimos perceber isso como um zumbido e movimento turvo. Para o sentidos humanos, movimentos rápidos se confundem, e eventos extremamente curtos são impossíveis de observar. Precisamos usar truques tecnológicos para capturar ou retratar esses breves instantes. Fotografia de alta velocidade e iluminação estroboscópica permite capturar imagens detalhadas de fenômenos rápidos. Uma fotografia altamente focada de um beija-flor em ação requer uma exposição tempo que é muito mais curto do que uma única batida de asas. Quanto mais rápido o evento, mais rápido a imagem precisa ser tomada se for para capturar o instante. 

O mesmo princípio se aplica a todos os métodos utilizados para medir ou representar processos rápidos; qualquer medida deve ser realizada mais rapidamente do que o tempo que leva para o sistema em estudo sofrer uma mudança perceptível, caso contrário o resultado será vago. 

Os laureados deste ano realizaram experiências que demonstram um método para produzir pulsos de luz que são breves o suficiente para capturar imagens de processos dentro dos átomos e moléculas. A escala de tempo natural dos átomos é incrivelmente curta. Em uma molécula, os átomos podem se mover e girar em femtosegundos (milionésimos de um bilionésimo de segundo). Esses movimentos podem ser estudados com o mais curto pulsos que podem ser produzidos com um laser, mas quando átomos inteiros se movem a escala de tempo é determinada por seus núcleos grandes e pesados, que são extremamente lentos em comparação com elétrons leves e ágeis. Quando os elétrons se movem dentro de átomos ou moléculas, eles fazem isso tão rapidamente que as mudanças ficam próximas de um femtosegundo. 

No mundo dos elétrons, as posições e as energias mudam a velocidades entre um e algumas centenas de attosegundos (bilionésimo de bilionésimo de segundo). Um attosegundo é tão curto que o número deles em um segundo é igual ao número de segundos que se passaram desde que o Universo surgiu, 13,8 bilhões de anos atrás. Um femtosegundo foi considerado por muito tempo o limite para os flashes de luz que era possível produzir. Melhorar a tecnologia existente não foi suficiente para ver os processos ocorrendo em um período surpreendentemente breve em escalas de tempo de elétrons; algo inteiramente novo era necessário. 

A luz consiste em ondas, ou seja, vibrações em campos elétricos e magnéticos, que se movem através do vácuo mais rápido do que qualquer outra coisa. Estes têm comprimentos de onda diferentes, equivalentes a cores diferentes. Por exemplo, a luz vermelha tem um comprimento de onda de cerca de 700  nm (nanômetros), um centésimo da largura de um fio de cabelo, e ele circula cerca de 430 trilhões de vezes por segundo. Podemos pensar em o pulso de luz mais curto possível como a duração de um único período na onda de luz, o ciclo onde ele sobe até um pico, desce até um vale e volta ao ponto inicial. Neste caso, os comprimentos de onda usados em sistemas de laser comuns nunca conseguem chegar abaixo de um femtosegundo, então na década de 1980 isso foi considerado como um limite rígido para as emissões de luz mais curtas possíveis. 

No experimento projetado, quando a luz do laser entra no gás e afeta seus átomos, causa vibrações eletromagnéticas que distorcem o campo elétrico que mantém os elétrons ao redor do núcleo atômico. Os elétrons podem então escapar dos átomos. No entanto, o campo elétrico da luz vibra continuamente e, quando ele muda de direção, um elétron solto pode retornar ao núcleo do seu átomo. Durante excursão do elétron, ele coletou muita energia extra do campo elétrico da luz laser e, para reconectar ao núcleo, ele deve liberar seu excesso de energia como um pulso de luz, no caso, no ultravioleta. Esses pulsos de luz dos elétrons criam as conotações que aparecem nos experimentos. 

Pulsos de attossegundos permitem medir o tempo que leva para um elétron ser puxado de um átomo, e examinar como o tempo que isso leva depende de quão fortemente o elétron está ligado ao núcleo do átomo. É possível reconstruir como a distribuição de elétrons oscila posicionalmente em moléculas e materiais; anteriormente a sua posição só poderia ser medida como uma média. 

Estes pulsos podem ser usados para testar os processos internos da matéria e para identificar diferentes eventos. Existem aplicações potenciais em muitas áreas diferentes. Na eletrônica, por exemplo, é importante compreender e controlar como os elétrons se comportam em um material. Eles também podem ser usados para identificar diferentes moléculas, como em diagnósticos médicos, possibilitando nova técnica analítica de diagnóstico in vitro para detectar traços moleculares característicos de doenças em amostras de sangue.

O Prêmio Nobel da Física deste ano abre janelas que antes eram inimaginável para Heisenberg, explorar fenômenos que antes eram impossíveis de observar.

Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences

O poder do emaranhamento quântico

Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger conduziram experimentos inovadores usando estados quânticos emaranhados, onde duas partículas se comportam como uma única unidade, mesmo quando separadas.

© J. Jarnestad (ilustração de um emaranhamento quântico)

Alain Aspect nasceu em 1947 em Agen, na França. Em 1983, terminou seu doutorado na universidade francesa Paris-Sud. Atualmente, ele é professor na Universidade Paris-Saclay e na Escola Politécnica, ambas também na França. John F. Clauser nasceu em 1942 em Pasadena, Califórnia, EUA. Seu doutorado foi cursado na Universidade Columbia, em Nova York. Agora, ele atua como pesquisador de física na J. F. Clauser e Associados. Anton Zeilinger nasceu em 1945 na Áustria. Ele estudou o doutorado na Universidade de Viena, onde atualmente atua como professor acadêmico.

Seus resultados abriram caminho para novas tecnologias baseadas em informações quânticas. Os efeitos inefáveis da mecânica quântica estão começando a encontrar aplicações. Existe agora um grande campo de pesquisa que inclui computadores quânticos, redes quânticas e comunicação criptografada quântica segura. 

Um fator preponderante neste desenvolvimento é como a mecânica quântica permite que duas ou mais partículas existam no que é chamado de estado emaranhado. O que acontece com uma das partículas em um par emaranhado determina o que acontece com a outra partícula, mesmo que estejam distantes. O físico Erwin Schrödinger disse que o emaranhamento era a característica mais importante da mecânica quântica.

A física quântica é a área dedicada aos estudos de minúsculas partículas que formam o Universo e as interações que ocorrem entre elas. Uma comparação do estado emaranhado entre partículas seria com uma máquina que lança bolas brancas e pretas em direções opostas. Um indivíduo que está em um dos lados recebe uma bola branca e, então, conclui que a bola da posição oposta foi preta. Quando esta situação é analisada pelo aspecto da física quântica, a explicação se torna um tanto mais complexa. As bolas seriam as partículas e estariam em um par emaranhado porque, quando alguém recebe uma delas, já pode determinar qual o estado (cor) da outra. No entanto, para a física quântica, a propriedade destas bolas antes de lançadas seria, na realidade, cinza. É só quando uma das pessoas percebe que a bola recebida é preta que a cor da outra se modificaria, tornando-se branca.

Por muito tempo, a questão era se a correlação era porque as partículas em um par emaranhado continham variáveis ocultas, instruções que lhes diziam qual resultado deveriam dar em um experimento. Na década de 1960, John Stewart Bell desenvolveu a desigualdade matemática que leva seu nome. Isto afirma que, se houver variáveis ​​ocultas, a correlação entre os resultados de um grande número de medições nunca excederá um determinado valor. No entanto, a mecânica quântica prevê que um certo tipo de experimento violará a desigualdade de Bell, resultando em uma correlação mais forte do que seria possível. 

John Clauser desenvolveu as ideias de John Bell, levando a um experimento prático. Quando ele fez as medições, elas apoiaram a mecânica quântica violando claramente uma desigualdade de Bell. Isto significa que a mecânica quântica não pode ser substituída por uma teoria que usa variáveis ​​ocultas. 

Algumas brechas permaneceram após o experimento de John Clauser. Alain Aspect desenvolveu a configuração, usando-a de uma forma que fechou uma brecha importante. Ele foi capaz de mudar as configurações de medição depois que um par emaranhado deixou sua fonte, de modo que a configuração que existia quando eles foram emitidos não poderia afetar o resultado. 

Usando ferramentas refinadas e uma longa série de experimentos, Anton Zeilinger começou a usar estados quânticos emaranhados. Entre outras coisas, seu grupo de pesquisa demonstrou um fenômeno chamado teletransporte quântico, que possibilita mover um estado quântico de uma partícula para outra à distância.

Estados quânticos emaranhados têm potencial para novas formas de armazenamento, transferência e processamento de informações.

Coisas interessantes acontecem se as partículas em um par emaranhado viajam em direções opostas e uma delas encontra uma terceira partícula de tal maneira que elas ficam emaranhadas. Então, elas entram em um novo estado compartilhado. A terceira partícula perde sua identidade, mas suas propriedades originais agora foram transferidas para a partícula do par original. Esta maneira de transferir um estado quântico desconhecido de uma partícula para outra é chamada de teletransporte quântico. Este tipo de experimento foi realizado pela primeira vez em 1997 por Anton Zeilinger e seus colegas.

Notavelmente, o teletransporte quântico é a única maneira de transferir informações quânticas de um sistema para outro sem perder nenhuma parte dele. É absolutamente impossível medir todas as propriedades de um sistema quântico e depois enviar a informação para um destinatário que queira reconstruir o sistema. Isto ocorre porque um sistema quântico pode conter várias versões de cada propriedade simultaneamente, onde cada versão tem uma certa probabilidade de aparecer durante uma medição. Assim que a medição é realizada, apenas uma versão permanece, ou seja, aquela que foi lida pelo instrumento de medição. As outras desapareceram e é impossível saber alguma coisa sobre elas. No entanto, propriedades quânticas totalmente desconhecidas podem ser transferidas usando o teletransporte quântico e aparecem intactas em outra partícula, mas ao preço de serem destruídas na partícula original.

Uma vez que isso foi demonstrado experimentalmente, o próximo passo foi usar dois pares de partículas emaranhadas. Se uma partícula de cada par for reunida de uma maneira particular, as partículas não perturbadas em cada par podem ficar emaranhadas, apesar de nunca terem estado em contato umas com as outras. Esta troca de emaranhamento foi demonstrada pela primeira vez em 1998 pelo grupo de pesquisa de Anton Zeilinger.

Pares de fótons emaranhados, partículas de luz, podem ser enviados em direções opostas através de fibras ópticas e funcionar como sinais em uma rede quântica. O emaranhamento entre dois pares torna possível estender as distâncias entre os nós em tal rede. Existe um limite para a distância que os fótons podem ser enviados através de uma fibra óptica antes de serem absorvidos ou perderem suas propriedades. Sinais de luz comuns podem ser amplificados ao longo do caminho, mas isso não funciona com pares emaranhados. Um amplificador tem que capturar e medir a luz, o que quebra o emaranhamento. No entanto, a troca de emaranhamento significa que é possível enviar o estado original ainda mais, transferindo-o por distâncias maiores do que seria possível.

Os estados quânticos emaranhados já foram demonstrados entre fótons que foram enviados através de dezenas de quilômetros de fibra óptica e entre um satélite e uma estação no solo. Em pouco tempo, pesquisadores de todo o mundo descobriram muitas novas maneiras de utilizar a propriedade mais poderosa da mecânica quântica.

A primeira revolução quântica nos forneceu transistores e lasers, mas agora estamos entrando em uma nova era graças às ferramentas contemporâneas para manipular sistemas de partículas emaranhadas.

Fonte: Royal Swedish Academy of Science

Efeito fotoelétrico aplicado em radioterapia

Pesquisadores descobriram que efeito fotoelétrico, explicado por Einstein em 1905, pode potencializar a destruição de tumores via radioterapia.

© U. de Kyoto (moléculas de iodo ajudam a destruir tumores)

A radioterapia é um dos principais tratamentos oncológicos hoje disponíveis. No entanto, ela sofre com um problema de eficácia. Para que a irradiação de raios X possa funcionar, é necessário que haja moléculas de oxigênio. Quando os raios X chegam ao interior da célula, eles induzem reações entre o oxigênio e o DNA que podem danificar o tumor, impedindo seu crescimento e multiplicação. Porém, na região central dos tumores, os níveis de oxigênio são baixos, devido à falta de vasos sanguíneos.

Há anos, cientistas do Instituto de Ciências Integradas de Material Celular da Universidade de Kyoto (iCeMS), junto a colaboradores japoneses e americanos, tentam superar este problema e encontrar maneiras mais diretas e eficazes de tratar o DNA de células de câncer empregando princípios da física quântica.

Em trabalhos anteriores, os pesquisadores mostraram que nanopartículas carregadas de gadolínio podem matar células cancerosas quando irradiadas com 50,25 keV de radiação síncrotron. Para realizar o estudo atual, eles projetaram nanopartículas orgânicas porosas contendo iodo. O iodo é mais barato do que o gadolínio e libera elétrons com níveis menores de energia. 

No experimento, os pesquisadores dispersaram suas nanopartículas sobre estruturas esféricas de tecido que continham células cancerosas. As estruturas esferoides foram depois submetidas à irradiação por raios X com intensidade de 33,2 keV durante 30 minutos. 

O iodo libera elétrons que rompem o DNA do tumor, levando à morte celular. O resultado foi a destruição completa dos tumores em três dias. Após fazerem experimentações sistemáticas nos níveis de energia, eles foram capazes de demonstrar que o efeito ideal de destruição do tumor ocorre com o raio X de 33,2 keV.

A exposição de um metal à luz leva à liberação de elétrons, um fenômeno chamado efeito fotoelétrico. Em 1905, Albert Einstein explicou este fenômeno, onde foi agraciado com o Prêmio Nobel pela descoberta. esta pesquisa fornece evidências que sugerem que é possível reproduzir este efeito dentro das células cancerosas.

Análises posteriores mostraram que as nanopartículas foram absorvidas pelas células tumorais. Com a quantidade certa de energia, o iodo liberou elétrons que causaram quebras na fita dupla no DNA nuclear e, assim provocaram a morte celular.

Este estudo é um exemplo importante de como um fenômeno da física quântica pode ser empregado dentro de uma célula cancerosa. Parece que uma nuvem de elétrons de baixa energia é gerada perto do DNA. Isto causa danos difíceis de serem reparados e leva à morte da célula.

Agora, a equipe buscará entender como os elétrons são liberados dos átomos de iodo após estes serem expostos aos raios X. Além disso, os pesquisadores querem inserir o iodo dentro do DNA, para aumentar a sua eficácia, e testar as nanopartículas em modelos de câncer em ratos. 

As recentes descobertas foram publicadas na revista Scientific Reports.

Fonte: Scientific American

Partículas fundamentais ainda desconhecidas

Um experimento revelou um inesperado comportamento quântico em um material isolante, e pode indicar a existência de uma nova classe de partículas ainda desconhecida.

© Princeton University (isolador de ditelureto de tungstênio)

O fenômeno quântico em questão é conhecido como oscilação quântica, e foi observado em um corpo isolador feito de um material chamado de ditelureto de tungstênio. A teoria quântica atualmente aceita diz que materiais isoladores não poderiam apresentar nenhuma forma de comportamento quântico. Em geral, esta oscilação pode ser observada em metais.

“Se nossas interpretações estiverem corretas, estamos vendo uma forma fundamentalmente nova de matéria quântica,” diz Sanfeng Wu, professor assistente de física na Universidade Princeton. “Estamos agora ponderando que pode existir um mundo quântico inteiramente novo, escondido nos isoladores. É possível que tenhamos deixado de notar isso durante as últimas décadas.” 

Durante muito tempo, a possibilidade de observar oscilações quânticas foi considerada como uma característica que distinguia metais e isoladores. Nos metais, os elétrons apresentam elevada mobilidade, e a resistividade do material, isto é, a resistência à corrente elétrica, é fraca. Quase um século atrás, os pesquisadores observaram que a combinação de baixas temperaturas com um campo magnético pode fazer com que os elétrons passem de um estado “clássico” para um estado quântico, causando oscilações na resistividade do metal. 

Já nos corpos capazes de agir como isoladores os elétrons não conseguem se deslocar, pois os materiais de que são feitos possuem uma resistividade muito alta. As experiências sugeriam que não era possível ocorrer oscilações quânticas neles, não importando a intensidade de campo magnético aplicado. 

A descoberta foi feita quando os pesquisadores estudavam o material ditelureto de tungstênio, que eles manipularam de modo a formar um corpo bidimensional. O material foi preparado utilizando-se uma fita adesiva padrão de forma a conseguir raspar cada vez mais o objeto, buscando moldar o que é chamado de monocamada, que nada mais é do que uma camada única e muito fina, feita de átomos. 

Os pesquisadores constataram que quando o ditelureto de tungstênio é manipulado para um formato um pouco mais espesso, ele se comporta como um metal. Mas, assim que é reduzido a uma monocamada, ele apresenta uma poderosa capacidade de agir como isolante. 

Os pesquisadores então começaram a medir a resistividade da monocamada de ditelureto de tungstênio sob campos magnéticos. E se surpreenderam ao constatar que a resistividade do isolador, apesar de muito grande, começou a oscilar quando o campo magnético aumentava, indicando a mudança para o estado quântico, ou seja, o material, um isolador muito poderoso, passou a exibir a propriedade quântica mais característica de um metal.

Atualmente não existem teorias para explicar esse fenômeno. Wu e seus colegas apresentaram uma hipótese provocativa. Eles sugerem que o experimento fez com que os elétrons se organizassem, e destas interações estariam surgindo novas partículas, que nomearam como “férmions neutros”, por não possuírem carga elétrica. Seriam estas partículas as responsáveis por criar esse efeito quântico altamente notável. 

Férmion é o nome dado a uma categoria de partículas na qual estão incluídos os elétrons. Nos materiais com propriedades quânticas, os férmions podem ser tanto elétrons, dotados de carga negativa, ou “buracos” dotados de carga positiva responsáveis pela condução da corrente elétrica. Isto é, quando o material é um isolador elétrico, estes férmions carregados não conseguem se mover livremente. 

Entretanto, partículas que sejam neutras poderiam teoricamente existir em um isolador e se deslocar através dele. Os resultados experimentais conflitam com todas as teorias atuais que se baseiam na existência de férmions dotados de carga, mas poderiam ser explicados pela presença de férmions sem carga. 

A equipe de Princeton planeja novas investigações sobre as propriedades quânticas do ditelureto de tungstênio. Eles estão interessados especialmente em determinar se a hipotética existência de uma nova partícula é válida.

A descoberta foi apresentada na revista Nature.

Fonte: Scientific American

“Paradoxo dos gêmeos” em nível quântico

Um experimento recentemente proposto, que conecta um paradoxo concebido por Einstein à mecânica quântica, pode resultar em relógios e sensores mais precisos.

© M. Zych (relógio movendo-se em sobreposição de velocidades)

Magdalena Zych, física da Universidade de Queensland, na Austrália, e principal autora do estudo, conta que a colaboração internacional teve como objetivo testar o paradoxo dos gêmeos de Einstein usando partículas quânticas em estado de “sobreposição”.

O paradoxo dos gêmeos é uma das previsões mais contra-intuitivas da teoria da relatividade. O tempo pode passar em velocidades diferentes para pessoas em diferentes distâncias em relação a uma massa enorme, ou para pessoas viajando em velocidades distintas.

Por exemplo: se pegarmos um relógio de referência, distante de qualquer objeto massivo, um relógio mais próximo de uma massa ou um relógio se movendo em alta velocidade irá mostrar a passagem do tempo mais lentamente.

Isso cria um paradoxo dos gêmeos, em que um dos gêmeos vai para uma viagem em alta velocidade enquanto o outro fica para trás. Quando os gêmeos se encontrarem novamente, o gêmeo viajante será muito mais jovem, pois diferentes períodos de tempo se passaram para cada um deles.

É um efeito surpreendente, explorado em filmes populares como Interstellar, mas também foi verificado por experimentos do mundo real e é levado em consideração para que a tecnologia do GPS funcione.

A equipe incluiu pesquisadores da Universidade de Ulm e da Universidade de Hannover, na Alemanha, e descobriu como usar tecnologia a laser avançada para simular uma versão quântica do paradoxo dos gêmeos de Einstein.

Na versão quântica, em vez de gêmeos, haverá apenas uma partícula viajando em uma sobreposição quântica.

Uma sobreposição quântica significa que a partícula está em dois locais ao mesmo tempo, em cada um deles com uma probabilidade, mas ainda assim é diferente de colocar a partícula em um ou em outro local aleatoriamente. É outra maneira de um objeto existir, permitida apenas pelas leis da física quântica.

“A ideia é colocar uma partícula em sobreposição em duas trajetórias com velocidades diferentes, e verificar se uma quantidade de tempo diferente passa para cada uma delas, como no paradoxo dos gêmeos,” disse Zych.

“Se nosso entendimento da teoria quântica e da relatividade estiver correto, quando as trajetórias sobrepostas se encontrarem, o viajante quântico estará em sobreposição de ser mais velho e mais novo que ele próprio. Isso deixaria uma assinatura inconfundível nos resultados do experimento, e é isso que esperamos que seja encontrado quando o experimento for realizado no futuro.”

“Esse entendimento pode levar a tecnologias avançadas que permitirão aos físicos construir sensores e relógios mais precisos, que poderão, potencialmente, ser partes fundamentais de futuros sistemas de navegação, veículos autônomos e redes de alerta precoce de terremotos”.

O experimento por si só também responderá a algumas questões ainda em aberto da física moderna.

Um exemplo dessas questões é: o tempo pode exibir comportamento quântico ou é algo fundamentalmente clássico?

Esta questão é provavelmente crucial para o ‘Santo Graal’ da física teórica: ou seja, encontrar uma teoria conjunta que relacione os fenômenos quânticos e gravitacionais.

Um artigo foi publicado na revista Science Advances.

Fonte: Scientific American

Imagem de um emaranhamento quântico

Pela primeira vez na história, pesquisadores conseguiram tirar uma foto de um tipo forte de emaranhamento quântico, chamado emaranhamento de Bell, revelando assim evidências visuais de um fenômeno misterioso que Albert Einstein, perplexo, chamava de “ação fantasmagórica à distância”.

© U. Glasgow (emaranhamento de Bell)

Duas partículas que interagem uma com a outra, como dois fótons passando por um divisor de feixes, podem, às vezes, continuar conectadas, e compartilhar instantaneamente seus estados físicos, a despeito da distância que as separa. Essa conexão é conhecida como emaranhamento quântico, e perpassa o campo da mecânica quântica.

Einstein achava que a mecânica quântica era “fantasmagórica” por causa da instantaneidade dessa aparente interação à distância entre duas partículas emaranhadas, um fenômeno que parecia incompatível com alguns conceitos de sua teoria da relatividade restrita.

Mais tarde, John Bell formalizou o conceito de interação não-local, descrevendo uma forma forte de emaranhamento que causa esse efeito fantasmagórico. Embora o emaranhamento de Bell esteja sendo usado em aplicações práticas, como computação e criptografia quânticas, ele nunca havia sido captado em uma única imagem até hoje.

Os físicos da Universidade de Glasgow, na Escócia, desenvolveram um sistema que dispara um fluxo de fótons emaranhados, a partir de uma fonte quântica de luz, sobre “objetos não convencionais” que são exibidos em materiais de cristal líquido, que alteram a fase dos fótons à medida que eles passam através desses materiais.

A equipe montou uma câmera muito sensível capaz de detectar fótons individuais, que só tiraria fotos quando detectasse tanto um fóton quanto seu “gêmeo” emaranhado, criando um registro visível do emaranhamento dos fótons.

“A imagem que conseguimos captar é uma demonstração elegante de uma propriedade fundamental da natureza, vista pela primeira vez na forma de uma imagem”, explica o autor principal do estudo, Paul-Antoine Moreau, da Faculdade de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow. “É um resultado animador, que pode gerar avanços no emergente campo da computação quântica, e levar a novos tipos de imagiologia”.

O artigo, chamado “Imaging Bell-type nonlocal behavior”, foi publicado na Science Advances.

Fonte: Universidade de Glasgow

Salvando o gato de Schrödinger

O famoso paradoxo gato de Schrödinger foi elaborado como um símbolo da possibilidade de sobreposição de estados e da imprevisibilidade que são característicos do mundo quântico.

© Kat Stockton (gato de Schrödinger)

Uma equipe de pesquisadores diz ter descoberto um modo de capturar e salvar o famoso animal, antecipando seus saltos e agindo na hora exata para salvá-lo da tragédia. No processo, eles poderiam derrubar um dos mais antigos fundamentos da física quântica.

A descoberta, feita por um time de físicos da Universidade de Yale, nos Estados Unidos, permite criar um sistema que avisa antecipadamente da iminência de um salto quântico em átomos artificiais contendo informação quântica.

O gato de Schrödinger é um famoso paradoxo usado para ilustrar o conceito de sobreposição, ou seja, a possibilidade de dois estados opostos existirem simultaneamente, e a imprevisibilidade na física quântica. A ideia é que um gato é colocado em uma caixa selada, com uma fonte radioativa e um veneno que será ativado se ocorrer o decaimento em algum átomo da substância radioativa.

A teoria da sobreposição da física quântica sugere que, até que alguém abra a caixa, o gato está ao mesmo tempo vivo e morto, numa espécie de sobreposição desses estados. O ato de abrir a caixa para observar o gato causaria uma mudança abrupta e aleatória em seu estado quântico, forçando-o a estar vivo ou morto.

Um salto quântico é a mudança aleatória e discreta (não-contínua) no estado que ocorre a partir do ato da observação.

O experimento, realizado no laboratório da Universidade de Yale pelo professor Michel Devoret e proposto pelo autor principal do artigo, Zlatko Minev, permite pela primeira vez espiar o mecanismo do salto quântico. Os resultados revelam uma descoberta surpreendente que contradiz a visão consagrada, estabelecida pelo físico dinamarquês Niels Bohr: a de que os saltos quânticos não são nem abruptos nem tão aleatórios como se pensava anteriormente.

Para um objeto tão pequeno como um elétron, uma molécula, ou um átomo artificial contendo informação quântica, chamada de “qubit”, um salto atômico é a transição repentina de um de seus estados de energia para outro. Nos computadores quânticos, ainda em desenvolvimento, pesquisadores precisam lidar com os saltos dos qubits, que são manifestações de erros de cálculos.

Os enigmáticos saltos quânticos foram teorizados por Bohr há mais de um século, mas não foram observados em átomos até os anos 1980.

“Esses saltos ocorrem todas as vezes que medimos um qubit”, explica Devoret. “Os saltos quânticos são conhecidos por serem imprevisíveis a longo prazo”. Apesar disso, adiciona Minev, “queríamos sabemos se seria possível conseguir um sinal de aviso prévio que um salto está prestes a ocorrer”. Minev conta que o experimento foi inspirado por uma previsão teórica de Howard Carmichael, da Universidade de Auckland, na Nova Zelândia, um pioneiro na trajetória da teoria quântica e um dos co-autores do estudo.

Além de seus impactos fundamentais, os resultados possivelmente trarão um avanço enorme no entendimento e no controle da informação quântica. Pesquisadores dizem que administrar com segurança a informação quântica e corrigir os erros quando eles ocorrem são os desafios principais no desenvolvimento de computadores quânticos totalmente eficientes.

A equipe de Yale usou uma abordagem especial para observar, indiretamente, um átomo artificial supercondutor, recorrendo a três geradores de microondas que irradiavam o átomo que estava aprisionado em uma cavidade tridimensional feita de alumínio.  O método de monitoramento duplamente indireto, que Minev criou para circuitos supercondutores, permite aos pesquisadores observarem o átomo com uma eficácia nunca antes vista.

A radiação em comprimento de micro-ondas agita o átomo artificial, enquanto ele é observado simultaneamente, o que resulta em saltos quânticos. O minúsculo indicativo quântico da ocorrência desses saltos pode ser amplificado sem perda de temperatura para a sala. Isso permite que o sinal seja monitorado em tempo real. Esse arranjo permitiu que os pesquisadores vissem uma repentina ausência de fótons de detecção (fótons emitidos por uma estado auxiliar do átomo quando agitado pelas micro-ondas); essa pequena queda nos fótons é o aviso prévio de que um salto quântico vai ocorrer.

“Esse belo efeito que o experimento revelou é o aumento da coerência durante o salto, apesar da observação”, diz Devoret. Minev adiciona: “Podemos usar isso não apenas para capturar o salto, mas também para revertê-lo.”

Esse é um ponto crucial, segundo os pesquisadores. Enquanto saltos quânticos aparecem pontualmente e aleatoriamente a longo prazo, reverter um salto quântico significa que a evolução do estado quântico possui, pelo menos em parte, um caráter determinista e não aleatório; o salto sempre ocorre da mesma maneira previsível a partir de seu início aleatório.

“Os saltos quânticos de um átomo são, de certa forma, análogos à erupção de um vulcão”, explica Minev. “Eles são completamente imprevisíveis a longo termo. Porém, com o monitoramento correto, podemos detectar o aviso prévio de um desastre iminente e agir sobre ele antes que ocorra.”

O estudo em questão foi publicado na revista Nature.

Fonte: Yale University

Observação da radiação Hawking

Físicos do Instituto de Tecnologia de Israel (Technion) confirmaram as previsões de uma teoria de Stephen Hawking sobre buracos negros, utilizando um análogo construído em laboratório.

© Revista Física (ilustração de um buraco negro)

Ao tentar aplicar as leis físicas que regem o calor nos buracos negros, o físico Stephen Hawking percebeu que estes objetos devem emitir radiação de suas superfícies, chamada Radiação Hawking. O mecanismo concatena a mecânica quântica com a gravidade.

Stephen Hawking apresentou sua teoria em 1974, depois de analisar o trabalho de outro físico, Jacob Bekenstein, da Universidade de Princeton. Para Bekenstein, a entropia de um buraco negro, ou seja, o caos de um sistema relativo ao seu volume, pressão, temperatura e energia, era proporcional à área de seu horizonte de eventos, ponto-limite do qual não é mais possível escapar desta região do espaço.

A entropia de um buraco negro é dada pela equação de Bekenstein-Hawking: S=k.A/4.l_P² , onde A é a área, k é a constante de Boltzmann e l_P é o comprimento de Planck que é expreso por l_P=G.h/2π.c³)^1/2  , sendo h a constante de Planck, G a constante gravitacional e c a velocidade da luz.

Infelizmente, ainda não é posível se aproximar o suficiente de um buraco negro para provar ou refutar a teoria. Assim, os físicos testaram um buraco negro análogo de laboratório.

Os pesquisadores construíram tal análogo de buraco negro usando um material quântico chamado de condensado de Bose-Einstein. Neste condensado de Bose-Einstein, o horizonte de eventos do buraco negro artificial representa o ponto sem retorno para o som, ao invés da luz.

Os cientistas criaram um condensado de Bose-Einstein capturando 8.000 átomos de rubídio em um feixe de laser. Os condensados ​​de Bose-Einstein são sistemas de átomos ultrafrios, onde estranhos fenômenos quânticos se tornam visíveis em escalas maiores.

Os pesquisadores em seguida utilizaram um segundo laser para aumentar a energia potencial de apenas um lado do condensado de Bose-Einstein, tornando-o mais denso naquele lado. Uma transição brusca (como um horizonte de eventos) separa a área mais densa (fora do buraco negro) da área menos densa (dentro do buraco negro).

Do ponto de vista dos cientistas, ao olhar para o experimento, parece que todos os átomos de rubídio estão se movendo. Fora do buraco negro, na região mais densa, a velocidade do som é mais rápida do que a velocidade deste fluxo, de modo que as ondas sonoras podem se mover em qualquer direção. Na região menos densa, dentro do buraco negro, a velocidade do som é mais lenta, então as ondas sonoras apenas se afastam da transição brusca e penetram no buraco negro.

Esta experiência imita uma das características mais importantes de um buraco negro: fora do objeto, a luz pode se afastar dele ou entrar nele. Mas, uma vez dentro, não pode escapar. O análogo de laboratório substitui a luz pelo som, e os pesquisadores podem medir as ondas sonoras dentro e fora de seu “horizonte de eventos”. O sinal da radiação Hawking é uma correlação entre estes dois tipos de ondas.

Isto foi suficiente para extrair informações importantes sobre a radiação, ou seja, que ela tem um espectro térmico com uma temperatura determinada pelo que seria o análogo da gravidade neste sistema artificial.

Isto significa que o buraco negro artificial emitiu um espectro contínuo de comprimentos de onda, em vez de comprimentos de onda preferidos. Estas observações e as temperaturas estavam de acordo com o que foi previsto na teoria de Hawking.

Segundo o principal autor do estudo, o físico Jeff Steinhauer, isso mostra que “os cálculos de Hawking estavam corretos”. Contudo, provavelmente são um efeito real que acontece nestes tipos de sistemas.

Esta pesquisa é mais um exemplo da utilização de análogos para estudarmos fenômenos físicos impossíveis de serem observados. Eles servem como uma verificação importante das teorias que orientam nossa compreensão de coisas inacessíveis.

Agora, os pesquisadores esperam refazer repetidamente o experimento, a fim de determinar como a radiação Hawking muda com o tempo.

Quem sabe um dia possamos medir essas propriedades em buracos negros reais.

Fonte: Nature

Emaranhamento quântico num fio de cabelo

Talvez a predição mais estranha da teoria quântica seja o emaranhamento, um fenômeno no qual dois objetos distantes se entrelaçam de um modo que desafia a física clássica.

© Petja Hyttinen/Olli Hanhirova (ilustração das peles vibratórias)

A imagem acima mostra peles vibratórias de 15 micrômetros de largura preparadas em chips de silício usados no experimento. As peles vibraram com uma alta frequência de ultrassom, e o estado quântico peculiar previsto por Einstein foi criado a partir das vibrações.

Em 1935, Albert Einstein expressou sua preocupação com esse conceito, se referindo a ele como uma "ação fantasmagórica à distância".

Atualmente, o emaranhamento é considerado o pilar da mecânica quântica, e é um recurso fundamental para uma série de tecnologias quânticas potencialmente transformadoras. O emaranhamento é extremamente frágil, e foi previamente observado apenas em sistemas microscópicos como a luz ou átomos, e, recentemente, em circuitos elétricos supercondutores.

Uma equipe liderada por Mika Sillanpää, da Universidade de Aalto, na Finlândia, mostrou que o emaranhamento de objetos maiores pode ser gerado e detectado.

Os pesquisadores conseguiram colocar os movimentos de duas peles vibratórias (com um princípio semelhante ao das peles dos instrumentos de percurssão) feitas de alumínio metálico e chip de silicone em um estado quântico de emaranhamento. Em comparação à escala atômica, os objetos envolvidos no experimento são verdadeiramente grandes e macroscópicos: de formato circular, as peles vibratórias têm um diâmetro semelhante à largura de um cabelo humano fino.

A equipe também incluiu cientistas da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW) em Canberra, na Austrália, Universidade de Chicago e a Universidade de Jyväskylä, na Finlândia. A abordagem utilizada no experimento foi baseada em uma inovação teórica desenvolvida por Matt Woolley, da UNSW, e Aashish Clerk, da Universidade de Chicago.

Os corpos vibrantes são projetados para interagir através de um circuito de microondas supercondutor. Os campos eletromagnéticos do circuito são usados para absorver todas as perturbações térmicas e isolar apenas as vibrações mecânico-quânticas.

Eliminar todas as formas de ruído é algo crucial para os experimentos, por isso eles foram conduzidos em temperaturas muito baixas, próximas ao zero absoluto (-273⁰C). De forma admirável, o experimento permitiu que o incomum estado de emaranhamento persistisse por longos períodos de tempo. Nesse caso, por mais de meia hora.

No futuro, os pesquisadores irão tentar teleportar as vibrações mecânicas. Em teletransporte quântico, propriedades de corpos físicos podem ser transmitidas através de distâncias arbitrárias usando a "ação fantasmagórica à distância.

Os resultados demonstram que agora é possível ter controle sobre objetos mecânicos maiores, nos quais estados quânticos exóticos possam ser gerados e estabilizados. Essa descoberta não apenas abre as portas para novos tipos de tecnologias quânticas e sensores, mas também pode permitir estudos de física fundamental, por exemplo, a elucidação da interação entre gravidade e mecânica quântica.

Fonte: Nature

Incorporando flutuações quânticas na entropia

A termodinâmica clássica nasceu, na primeira metade do século XIX, no rastro da revolução industrial, voltada para a otimização de máquinas e focada no cálculo de grandezas como trabalho útil, energia dissipada e eficiência.

© Revista Física (entrelaçamento quântico)

De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a energia mecânica pode ser completamente convertida em energia térmica, mas a energia térmica não pode ser completamente convertida em energia mecânica. Dessa assimetria, que impõe um sentido aos processos materiais e por decorrência escoaria rumo a configurações de energia cada vez menos organizadas, surgiu o conceito de entropia com o físico alemão Rudolf Clausius, que se refere à parcela do calor que não pode mais ser transformada em trabalho, e, portanto, ao grau de irreversibilidade do sistema.

É possível estender os conceitos macroscópicos da termodinâmica à escala atômica ou subatômica? O que mudaria se fosse construído um motor com um único átomo? Como as leis termodinâmicas seriam afetadas pela mecânica quântica? Estas foram as cogitações que nortearam o estudo dos pesquisadores brasileiros Jader Pereira dos Santos (Universidade Federal do ABC), Gabriel Teixeira Landi (Universidade de São Paulo) e Mauro Paternostro (Queen’s University Belfast, Reino Unido). 

A aproximação da termodinâmica com a mecânica quântica é bem recente, algo das últimas décadas, quando se tornou possível exercer um controle muito fino na manipulação de átomos e, literalmente, construir motores em escala atômica. Apesar do estudo tratar de questões de física fundamental, de conhecimento puro, é possível visualizar diversas aplicações em sistemas microscópicos, como nanodispositivos, computação, criptografia e comunicação quânticas.

Os pesquisadores focalizaram especificamente na produção de entropia, isto é, da medida da irreversibilidade, em contextos quânticos, para a qual não havia, antes, uma teoria bem estabelecida. Existiam teorias muito boas para medir a irreversibilidade no contexto clássico, isto é, na escala macroscópica. Mas não existiam teorias que permitissem medir quão irreversível era um processo quântico. As teorias anteriores, propostas com tal objetivo, apresentavam várias lacunas, várias incompletudes. Isso se devia, basicamente, ao fato de terem sido concebidas para sistemas clássicos e não para sistemas quânticos.

Sabe-se, conforme a primeira lei da termodinâmica, que a energia de um sistema fechado é conservada. Mas, conforme a segunda lei da termodinâmica, a entropia tende sempre a aumentar. Isso porque a irreversibilidade faz com que, a cada transformação, a energia se reconfigure de forma menos organizada. Pode-se falar em degradação da energia e definir entropia como a medida desse aumento espontâneo da desordem.

O objetivo dos pesquisadores, com seu estudo puramente teórico, foi incorporar as contribuições quânticas ao processo. A ideia é que todo sistema apresenta, simultaneamente, dois tipos de flutuações: as flutuações térmicas, que advêm da agitação exterior das partículas, e as flutuações quânticas, que são um fenômeno intrínseco. Em altos patamares de energia, como aqueles obtidos em laboratório nos colisores de partículas, as flutuações quânticas são responsáveis pela criação e aniquilamento de pares de partículas e antipartículas. Mas tais flutuações ocorrem também em baixos patamares de energia, e, idealmente, até mesmo no zero absoluto. Nos processos macroscópicos, as flutuações térmicas são em geral mais importantes. Porém há situações em que as flutuações quânticas predominam e contribuem de forma mais significativa para a entropia.

A termodinâmica clássica trabalhou exclusivamente com as flutuações térmicas. Mas na escala atômica e subatômica, onde a física quântica se torna necessária para a descrição dos fenômenos, a desordem decorrente das flutuações quânticas precisa ser considerada e computada. Segundo a mecânica quântica, mesmo que um sistema se encontre em um estado ideal no qual não exista qualquer agitação térmica, ou seja, um estado definido como zero absoluto, ainda assim ele apresentará uma tendência implícita à desordem devido a flutuações quânticas, associadas ao Princípio da Incerteza, de Werner Heisenberg.

Segundo o Princípio da Incerteza, variáveis complementares, como por exemplo a posição e o momento linear, não podem ser determinadas de forma precisa ao mesmo tempo. A incerteza manifesta-se, por exemplo, na dualidade partícula-onda. Devido ao comportamento ondulatório, o objeto não pode ser perfeitamente localizado no espaço. E apresenta-se ao observador como que esparramado, podendo flutuar entre várias posições possíveis.

O Prêmio Nobel de Física de 1963, Eugene Wigner, apresentou uma interpretação probabilística da mecânica quântica. A chamada função de Wigner considera tanto as flutuações térmicas quanto as flutuações quânticas. Trabalhando com a função de Wigner, os pesquisadores conseguiram reformular a teoria de irreversibilidade, de modo a incorporar as flutuações quânticas ao conceito de entropia. Eles definiram a entropia como a desordem associada à distribuição estatística descrita pela função de Wigner. A partir dessa definição, a construção de uma nova teoria e sua aplicação a sistemas quânticos seguiu naturalmente.

A grande novidade foi que os resultados obtidos podem ser aplicados mesmo em sistemas a zero kelvin. Até o estudo em pauta, não havia repertório teórico capaz de explicar o efeito das flutuações quânticas no aumento da entropia no zero absoluto. Embora a temperatura zero nunca seja alcançada na prática, pode haver situações, inclusive em laboratório, de temperaturas suficientemente baixas, da ordem de alguns kelvins, nas quais as flutuações quânticas se tornem mais importantes do que as flutuações térmicas. Em sistemas de óptica quântica, envolvendo lasers, até mesmo em temperatura ambiente as flutuações quânticas podem ser dominantes.

O estudo possibilitará aplicações em comunicação, por meio de luz. A ideia é usar o conceito de irreversibilidade para quantificar perdas em processos de comunicação por fibra óptica. Além da perda de energia, existe também a perda de coerência da luz. O formalismo utilizado é capaz de dar conta de todos esses tipos de perda.

Outro foco de interesse é a propriedade do emaranhamento. O processo de emaranhamento ocorre quando pares ou grupos de partículas são gerados ou interagem de tal maneira que o estado quântico de cada partícula não pode mais ser descrito independentemente, já que depende do conjunto. A manutenção do emaranhamento é essencial para a computação quântica. Mas a interação do sistema com o ambiente produz perda de emaranhamento.

Fonte: Physical Review Letters

Transições de fase topológica da matéria

O prêmio Nobel de Física de 2016 foi para o trio de cientistas britânicos David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane e J. Michael Kosterlitz pelas descobertas teóricas das transições de fase topológica da matéria.

© DevianArt (pretzel estilizado)

Os três cientistas britânicos estão hoje baseados nos Estados Unidos. Thouless, nascido em 1934, é hoje professor emérito da Universidade de Washington. Haldane, nascido em 1951, é professor da Universidade Princeton. E Kosterlitz, nascido em 1942, é professor da Universidade Brown.

As pesquisas, que revelaram características da chamada "matéria exótica", podem ter aplicações futuras na eletrônica.

Suas descobertas permitiram avanços na compreensão teórica dos mistérios da matéria e criaram novas perspectivas para o desenvolvimento de materiais inovadores.

As transições de fase ocorrem quando as fases da matéria transitam entre si, como quando o gelo derrete e se torna água. As fases mais comuns da matéria são gás, líquido e sólido. Mas, em temperaturas extremamente altas ou baixas, a matéria pode assumir outros estados exóticos.

O que os laureados fizeram foi revelar os segredos dessa matéria em estado exótico. Eles criaram métodos matemáticos para estudar essas fases incomuns da matéria que ocorrem, por exemplo, em supercondutores, superfluidos e filmes finos magnéticos.

A topologia é o ramo da matemática que descreve as propriedades da matéria que mudam apenas passo a passo. "O pão não tem buraco, o bagel tem um buraco e o pretzel tem dois buracos. O número de buracos é algo que chamamos de invariável topológica," disse Thors Hans Hansson, um dos membros do comitê do prêmio Nobel de Física . Isso é chamado invariável porque não é possível ter um estágio intermediário entre um buraco e dois buracos (não existe meio buraco, por exemplo).

No início de 1970, Michael Kosterlitz e David Thouless derrubou a teoria então vigente que a supercondutividade não poderia ocorrer em camadas finas. Eles demonstraram que a supercondutividade pode ocorrer a baixas temperaturas e também explica o mecanismo da transição de fase, que faz desaparecer a supercondutividade a temperaturas mais elevadas.

Na década de 1980, Thouless foi capaz de explicar uma experiência anterior com camadas eletricamente condutoras muito finas em que a condutância foi precisamente medida através da topologia. Simultaneamente, Duncan Haldane descobriu como conceitos topológicos podem ser utilizados para compreender as propriedades das cadeias de pequenos ímãs encontrados em alguns materiais.

Agora sabemos de muitas fases topológicas, não apenas em camadas finas, mas também em materiais tridimensionais comuns. Durante a última década, esta área tem impulsionado a pesquisa em física da matéria condensada.

A esperança, segundo a Academia Real de Ciências da Suécia, é que as pesquisas possam ser usadas em novas gerações de eletrônicos e supercondutores, ou em futuros computadores quânticos.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Vácuo quântico atua na rotação dos pulsares

A resistência ao movimento oferecida pelo vácuo pode estar desacelerando a rotação ultrarrápida das estrelas de nêutrons que constituem os pulsares.

© NASA (ilustração de um pulsar)

A instigante hipótese, resultante de um estudo realizado pelos pesquisadores brasileiros: Jaziel Goulart Coelho, pós-doutorando do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), Jonas Pedro Pereira, atualmente pós-doutorando da Universidade Federal do ABC (UFABC), e José Carlos Neves de Araújo, pesquisador titular do INPE.

As observações astronômicas informam que, a cada segundo, o período de rotação dos pulsares atrasa de um centésimo trilionésimo (10^-14) a um décimo trilionésimo (10^-13) de segundo. O mecanismo clássico de perda de energia, por radiação de dipolo magnético, não é suficiente para explicar esse atraso. É preciso considerar algo mais. Este estudo possibilitou concluir que esse componente adicional poderia ser a frenagem exercida pela fricção do vácuo quântico.

Na mecânica quântica o vácuo não é realmente vazio, mas permeado por flutuações. Neste meio, extremamente dinâmico, flutuações locais de potencial produzem o tempo todo pares de partículas e antipartículas, que se aniquilam em seguida. Assim, por mais tênue que possa ser o espaço interestelar, seu efeito sobre corpos altamente compactos em rotação, como as estrelas de nêutrons, não seria negligenciável.

Já foram identificados cerca de 2 mil pulsares. Mas, devido a grandes dificuldades no processo de observação, apenas nove deles têm os seus parâmetros bem estabelecidos.

Os pesquisadores reuniram os dados relativos a estes nove pulsares, registrados na literatura, utilizando conceitos da física fundamental. Eles constataram que, além da perda de energia devida à radiação eletromagnética, um outro fator poderia estar contribuindo para a desaceleração do movimento de rotação: a fricção do vácuo quântico.

Os períodos de rotação dos pulsares, bem como suas variações temporais, são determinados observacionalmente. A partir deles, é possível calcular o chamado índice de frenagem, caracterizado pelo atraso de 10^-14 a 10^-13 segundo por segundo. Para explicar este índice, os pesquisadores combinaram dois mecanismos de perda de energia: a radiação de dipolo magnético clássica e a fricção do vácuo quântico.

Nota-se que a produção de calor está intrinsecamente associada à fricção do vácuo quântico. Esta é uma das consequências da interação de um campo magnético muito forte com um meio supermagnetizado. O calor surge do atrito do vácuo com a superfície da estrela, da mesma forma que o movimento de uma pá na água por um longo tempo pode aquecê-la.

Aqui, convém apresentar um resumo do estado atual dos conhecimentos acerca dos pulsares. A primeira observação de um objeto desse tipo foi feita em 1967 pela astrofísica irlandesa Jocelyn Bell, que então realizava sua pesquisa de doutorado. O objeto, localizado na Nebulosa do Caranguejo, foi detectado como fonte de uma emissão eletromagnética, na faixa de frequências do rádio, constituída por pulsos extremamente regulares, tão regulares que chegou a se cogitar, na época, que poderiam ser provenientes de uma civilização extraterrestre.

Sabe-se agora que esses pulsos são produzidos por estrelas de nêutrons em rotação. Estas constituem o estágio terminal do ciclo evolutivo de estrelas que iniciaram suas vidas com massas da ordem de grandeza de oito a 25 massas solares. Em um dado momento de sua evolução, tais estrelas explodem como supernovas, ejetando ao meio exterior a maior parte do material que as constitui. Depois, tendo-se encerrado o processo de fusão nuclear, cuja pressão de dentro para fora contrabalançava a atração gravitacional, o material remanescente entra em colapso e começa a se compactar cada vez mais. A contração gravitacional é tanta que os elétrons se fundem com os prótons dando origem a nêutrons, altamente aglutinados. Forma-se, assim, uma estrela de nêutrons, cuja densidade é cerca de 10¹⁵ g/cm³. Isso significa que cada centímetro cúbico da estrela tem 100 milhões de toneladas de massa! Massas equivalentes a uma vez e meia a massa do Sol se comprimem em esferas com não mais de 20 quilômetros de raio.

Uma das consequências da contração é que a estrela passa a girar cada vez mais rápido. Isso se deve a uma regularidade no comportamento da matéria que recebe em física o nome de “princípio de conservação do momento angular”. O momento angular relaciona a massa, o quadrado do raio e a velocidade angular. Como a massa e o raio diminuem drasticamente, é preciso que a velocidade angular aumente muito para que o momento angular se mantenha constante. Existem pulsares extremamente rápidos, com períodos de rotação da ordem do milissegundo (10^-3 s); pulsares intermediários, com períodos que vão do centésimo ao décimo de segundo (10^-2 a 10^-1 s); e pulsares mais lentos, com períodos de um a dez segundos (10⁰ a 10 s).

Outra consequência da contração é que o campo magnético da estrela se intensifica tremendamente. Isso decorre do chamado “princípio de conservação de fluxo”. Uma vez que a área da superfície do astro diminui, para que o fluxo magnético se conserve, o campo deve crescer com o quadrado da razão entre o raio anterior e o raio resultante. Assim, o campo magnético das estrelas de nêutrons pode atingir valores da ordem de cem milhões (10⁸) a um quatrilhão (10¹⁵) de Gauss. Para efeito de comparação, a magnitude do campo magnético na superfície da Terra é da ordem de 0,25 a 0,65 Gauss.

Embora os primeiros pulsares tenham sido detectados na faixa do rádio, as estrelas de nêutrons emitem em todas as frequências do espectro eletromagnético: rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X, raios gama. Porém, só podem ser percebidas como pulsares, isto é, como objetos pulsantes, quando o eixo de seu campo magnético não coincide com o seu eixo de rotação. O motivo é que a emissão ocorre a partir dos polos magnéticos. Quando os eixos coincidem, o feixe de fótons aponta sempre na mesma direção. Quando não coincidem, o feixe de fótons varre diferentes regiões do espaço durante a rotação. Cada vez que ele aponta para o observador terrestre, isso é percebido como um pulso. O fenômeno é parecido com o dos pulsos luminosos emitidos pelos faróis que orientam os navios.

Este estudo possibilitou prever a inclinação do campo magnético do pulsar em relação ao eixo de rotação e também a evolução do campo magnético ao longo do tempo. No cenário clássico, de radiação de dipolo magnético puro, o campo deve aumentar de forma a explicar os índices de frenagem observados.

Segundo os pesquisadores, a fricção do vácuo quântico tornar-se-ia especialmente relevante em pulsares com campos magnéticos muito intensos, de 10¹² a 10¹³ Gauss, e que, por já terem perdido bastante rotação, apresentem períodos mais longos, de um a 10 segundos.

Ao considerar a fricção do vácuo quântico, este estudo acrescentou um importante elemento ao modelo clássico de transferência de energia dos pulsares, baseado apenas na radiação eletromagnética. Mas os pesquisadores estão realizando agora um terceiro mecanismo de transferência, que é o da emissão de ondas gravitacionais.

Fonte: The Astrophysical Journal

Uma maneira de sondar o reino quântico

Em 1930, o físico teórico alemão Werner Heisenberg introduziu um experimento de reflexão, agora conhecido como microscópio de Heisenberg, para tentar mostrar por que é impossível medir a localização de um átomo com precisão ilimitada.

© Revista Física (sondando o reino quântico)

Heisenberg tentou medir a posição de algo como um átomo, atirando luz nele. A luz viaja como uma onda, e Heisenberg sabia que diferentes comprimentos de onda poderia dar-lhe diferentes graus de confiança quando usado para medir onde algo está no espaço. Comprimentos de onda curtos podem fornecer uma medição mais precisa do que os longos, com o intuito de usar a luz com um pequeno comprimento de onda para medir a estrutura de um átomo. Mas há um problema: a luz também carrega momentum, e comprimentos de onda curtos carregam mais força do que os longos.
Isso significa que se for utilizada a luz com um comprimento de onda curto para encontrar o átomo, incidirá no átomo uma força com todo esse ímpeto, que irá chutá-lo ao redor e mudará completamente a sua localização (e outras propriedades) no processo. Usar comprimentos de onda mais longos, o átomo se moverá menos, mas também sua medição será mais incerta.

Isso é um dilema: qualquer medição muda o que você está medindo, e melhores medições conduz à mudanças maiores.

Também é possível preparar átomos num estado emaranhado, o que significa que eles agem cooperativamente como um único átomo, não importa o quão longe eles estão uns dos outros. Ao empurrar um, o restante se movimenta como se tivesse empurrado individualmente. E se um átomo se desordenar, ao lançar um pouco de luz nele, geralmente toda a coleção será desordenada.

No passado, estes dois efeitos tornaram impossível medir como os átomos emaranhados estão organizados sem destruir o arranjo e o emaranhamento, que presumivelmente foram preparados para algum propósito específico, como a construção de um computador quântico.

Mas agora, os físicos liderados por T. J. Elliott, da Universidade de Oxford, no Reino Unido propuseram uma maneira de medir as propriedades em grande escala de um grupo de átomos entrelaçados sem estragar o emaranhamento. Não é medir átomos individuais, que é permanentemente fora dos limites, mas é mais do que os físicos conseguiram fazer antes.

Normalmente, quando os átomos são emaranhados, têm que ter cuidado inicialmente para que os átomos são todos mais ou menos iguais. Se existirem muitos tipos diferentes de átomos, eles se tornam muito mais difícil de igualar-se, portanto, o entrelaçamento torna-se mais frágil.
Mas ainda é possível tornar os grupos estáveis ​​de átomos entrelaçados que têm alguns valores discrepantes entre eles. Os pesquisadores demonstraram que estes valores atípicos podem ser usados para medir aspectos sobre o grupo principal sem desordenar o seu emaranhamento.

Isso inclui informações muito básicas, como a densidade de ocupação dos átomos, enquanto eles estão emaranhados, que historicamente tem sido fora do alcance dos físicos nas experiências individuais.

Antes, os físicos tiveram que medir um grupo inteiro dos átomos emaranhados muito rapidamente, admitindo que eles estavam a alterando as propriedades ao redor, assim que era medido esse primeiro átomo. Mais medições podem verificar mais átomos, mas elas estariam cada vez mais incertas ao longo do tempo.

É óbvio, medições ainda mudam as propiedades um pouco, pois a luz ainda está sendo utilizada e o microscópio de Heisenberg ainda  está sendo aplicado, mas as medições não vão destruir todo o sistema, como eles fariam antes.

Este método de medição dos valores extremos é uma janela num novo reino para os físicos, que podiam anteriormente só ver o que  átomos emaranhados faziam, não o que eles estão fazendo.

Os pesquisadores simulou um sistema simples mostrando matematicamente que isso deve funcionar com uma ampla gama de sistemas quânticos onde o emaranhamento desempenha um papel fundamental. E pequenas alterações no método pode torná-lo possível medir as propriedades como a magnetização de átomos emaranhados, em vez de apenas a sua densidade.

Fonte: Physical Review A

O valor da constante de acoplamento forte

O valor de um dos parâmetros fundamentais da física, a constante de acoplamento forte (que conecta quarks e glúons, dando origem a hádrons, como os prótons e os nêutrons), determinado pelo pesquisador da Universidade de São Paulo (USP) Diogo Boito e colaboradores, acaba de ser acolhido pelo Particle Data Group (PDG), rede internacional que estabelece as medidas de várias grandezas físicas.

© D. Boito (esquema do decaimento do lépton tau)

A imagem acima mostra o esquema do decaimento do lépton tau feito pelo pesquisador. O tau decai em um neutrino e em um bóson W (em azul). Os quarks são produzidos pelo W e interagem fortemente (bolha rosa), formando os hádrons que são detectados (píons e káons). O processo possibilita determinar um valor para a constante de acoplamento forte.

Boito é professor do Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP). E o valor por ele determinado havia sido publicado há cerca de um ano na revista Physical Review D: “Strong coupling from the revised ALEPH data for hadronic τ decays”.

“A interação entre quarks e glúons é descrita pela Cromodinâmica Quântica (Quantum Cromodynamics – QCD). E, nessa teoria, a constante de acoplamento forte, α_s (alpha_s), desempenha papel fundamental. Mas, como essa constante não pode ser medida diretamente, vários grupos de pesquisadores procuram determiná-la de modo indireto, confrontando as predições teóricas com diferentes dados experimentais. Nosso valor foi obtido por meio do decaimento do lépton tau,” disse o pesquisador.

Boito conduz atualmente a pesquisa “Determinação precisa de parâmetros fundamentais da QCD”, apoiada pela FAPESP por meio do programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes.

A interação forte é a mais poderosa força conhecida. Em uma situação típica, essa interação chega a ser centenas de vezes maior do que a da interação eletromagnética e até 10¹¹ vezes maior que a interação fraca e 10³⁹ vezes maior que a interação gravitacional. Por isso, os quarks e os glúons ficam confinados nos volumes diminutos dos hádrons (da ordem de 10^-13centímetros), e não podem ser encontrados livremente na natureza. “Esse confinamento é um dos fatores que tornam tão difícil a determinação da constante de acoplamento forte”, explicou Boito.

O recurso utilizado por ele e por seus colaboradores foi trabalhar com dados obtidos no decaimento do lépton tau (τ). Essa partícula é da mesma natureza do elétron, porém possui massa aproximadamente 3.500 vezes maior. É produzida nos grandes aceleradores de partículas, por exemplo, pela colisão de elétron e antielétron, e dura, em média, apenas 2,9 x 10^-13 segundos. Ao decair, o tau produz várias partículas de massa menor. Em um dos decaimentos possíveis são produzidos, entre outras partículas, o quark up e o quark down, que interagem fortemente. Foi esse tipo de decaimento que possibilitou a Boito determinar, indiretamente, um valor para α_s.

Um aspecto singular dessa determinação decorreu do fato de a massa do tau ser relativamente baixa. Isso fez com que fosse possível verificar uma previsão teórica conhecida como “liberdade assintótica”, que deu o Prêmio Nobel de Física de 2004 a David Gross, David Politzer e Frank Wilczek. Segundo essa previsão, o valor de α_s é menor em energias mais altas e maior em energias mais baixas; ou seja, o valor não é propriamente constante. “Nossa determinação contribui para corroborar essa previsão na região de energias baixas,” afirmou o pesquisador.

Como a determinação pode ser feita também de outras maneiras, valores ligeiramente diferentes são obtidos por diversos grupos de pesquisa. As determinações são avaliadas pelos especialistas do PDG e, quando consideradas consistentes, seus valores são incorporados ao rol acolhido pela colaboração internacional. A partir dessa lista, o PDG publica um valor médio internacional, que serve de referência para todos os pesquisadores da área e que é atualizado a cada dois anos. A constante de acoplamento forte é um número puro, adimensional. O último valor médio, publicado em fevereiro de 2016, que agrega o resultado de Boito e colaboradores, foi de α_s = 0,1181 ± 0,0013.

Fonte: FAPESP (Agência)

Descoberto monopolo no campo quântico

Pesquisadores da Universidade de Aalto (Finlândia) e Amherst College (EUA) tem observado um monopolo no campo quântico pela primeira vez.

© Heikka Valja (ilustração de um monopolo no campo quântico)

Esta descoberta se conecta às características importantes do elusivo monopolo magnético. Os pesquisadores realizaram um experimento em que manipularam um gás de átomos de rubídio preparados em um estado não imantado perto da temperatura do zero absoluto. Sob estas condições extremas foi possível criar um monopolo no campo da mecânica quântica que descreve o gás.
"Neste estado não magnético, foi criada uma estrutura no campo descrevendo o gás, assemelhando-se ao monopolo magnético, conforme descrito nas grandes teorias unificadas da física de partículas. Anteriormente, foi utilizada um gás para detectar um monopolo dentro de um chamado campo magnético sintético, mas não houve a ocorrência de monopolo no campo quântico que descreve o próprio gás. Agora finalmente testemunhamos a existência do monopolo da mecânica quântica!", alega o Dr. Mikko Möttönen da Universidade Aalto.

© U. Aalto (condensado de Bose-Einstein contendo o monopolo)

A imagem acima mostra um condensado de experimentalmente criado de Bose-Einstein contendo um monopolo (à esquerda) e a previsão teórica correspondente (à direita). Área mais clara tem maior densidade de partículas e as diferentes cores indicam o estado de rotação interna dos átomos. O monopolo está localizado no centro do condensado.

No estado não magnético do gás, não há remoinhos quânticos ou monopolos que são criados no campo magnético sintético. Entretanto, a ordem magnética prevalece na amostra no campo da mecânica quântica, e os cientistas foram capazes de manipular isso com ajustes para um campo magnético aplicado externamente.
"O controle desses campos magnéticos deve ser estável a uma pequena fração do tamanho do campo magnético da Terra", acrescenta o Prof. David Hall do Amherst College. "O principal desafio experimental que enfrentamos foi preparar o gás criogênico em condições altamente sensíveis, em que as flutuações do campo devido ao movimento de objetos metálicos ou variações de linha de energia podem propiciar a observação dos monopolos difíceis".
O resultado é um notável avanço na pesquisa na área quântica. É importante compreender a estrutura dos monopolos e outras entidades topológicas, porque elas aparecem nos modelos que descrevem o Universo precoce e afeta as propriedades de muitos materiais diferentes, tais como os metais.
A descoberta de uma partícula de monopolo magnético poderá ocorrer no futuro. Este novo resultado estabelece que a estrutura de um monopolo na mecânica quântica pode ser exibido na natureza e, portanto, suporta ainda a possibilidade de que existem monopolos magnéticos.

Fonte: Science

Curvatura quântica da luz

A luz viajando perto de um objeto é desviada de seu caminho por causa da força da gravidade.

© NASA (curvatura quântica da luz)

Para um objeto de grande massa como o Sol, este desvio é mensurável. As melhores medições até o momento mostram que a atração gravitacional do Sol desvia a luz por 0,00049º de acordo com as previsões da relatividade geral. Agora Niels Bjerrum-Bohr, do Instituto Niels Bohr, na Dinamarca, e colegas calcularam como esse desvio seria alterado quando a gravidade é descrita como um campo quântico.

Os autores descrevem a gravidade usando uma teoria de campo eficaz, uma aproximação de baixa energia de uma possível teoria quântica de campo subjacente da gravidade. Isto permitiu-lhes computar a junção de fótons com efeitos gravitacionais, formulando uma solução analítica para o problema da deflexão da luz por um objeto pesado, como o Sol ou um buraco negro de Schwarzschild. Embora a sua correção quântica predita é demasiado pequena para ser medido experimentalmente, onde o efeito da gravidade é 80 ordens de grandeza maior, eles mostram que os efeitos quânticos causam uma diferença. Esta diferença decorre do fato de que as partículas sem massa como fótons não estão mais restritas a viajar exatamente sobre geodésicas, ou seja, na relatividade geral, as linhas retas modificados pela curvatura do espaço-tempo ao longo de qualquer movimento de partículas em queda livre. Em particular, elas são previstas para dobrar de forma diferente dependendo da sua rotação.

Estas alterações do comportamento previsto pela relatividade geral denota o desvio do princípio da equivalência de Einstein. A estrutura computacional apresentada pelos autores fornece uma maneira simples de avaliar os possíveis efeitos da gravidade quântica em e outros fenômenos cosmológicos.

Fonte: Physical Review Letters

Máquinas de spins

Uma equipe coordenada pelo físico Roberto Serra, da Universidade Federal do ABC (UFABC), determinou quanta energia um núcleo atômico pode ganhar ou perder quando é atingido por um pulso de ondas de rádio.

© Cornell University/LASSP (spins)

A maioria dos pesquisadores estava convencida de que o comportamento do núcleo seria imprevisível. Jamais se conheceriam as probabilidades de o núcleo absorver energia das ondas, tornando-se mais quente, ou de esfriar ao transmitir parte de sua energia para elas.

As novas experiências feitas no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, demonstram que essa troca de energia obedece a leis da física nunca antes testadas no mundo subatômico. Essas leis podem ajudar a entender melhor reações químicas como a fotossíntese das plantas e a determinar quanta energia os computadores quânticos usarão para funcionar. “Esse é o primeiro experimento de uma nova área da física, a termodinâmica quântica”, diz Serra.

Computadores quânticos prometem usar as leis da mecânica quântica para superar exponencialmente o poder de cálculo dos computadores convencionais. Mas quanta energia esse novo tipo de computação gastará na prática? Quanto calor essas máquinas produzirão ao funcionar? Vão precisar de refrigeração? Responder a essas questões é um dos objetivos da termodinâmica quântica.

Perguntas semelhantes pairavam no ar durante a Revolução Industrial, no século XIX. Qual o mínimo de carvão que os fornos precisariam consumir e a que temperatura as caldeiras deveriam chegar para que as máquinas a vapor alcançassem sua eficiência máxima? Os cientistas da época perceberam que tanto o calor quanto a capacidade das máquinas de trabalharem são formas diferentes de uma mesma quantidade física, a energia, que nunca é criada a partir do nada nem destruída, apenas transformada. Ao investigar a conversão de uma forma de energia em outra, eles descobriram as leis da termodinâmica clássica.

De acordo com essas leis, a energia flui espontaneamente de um volume com temperatura quente para outro mais frio. E uma máquina, mesmo que ideal, só pode converter parte da energia disponível na forma de calor em energia capaz de realizar movimentos mecânicos, isto é, realizar o que se conhece em física como trabalho. “A termodinâmica impõe limites a qualquer tecnologia”, diz Serra.

Os engenheiros vitorianos resolveram seus problemas, mas à custa de um pequeno truque. Seus cálculos só funcionavam quando se considerava que as máquinas estavam isoladas termicamente do resto do mundo, trocando pouco calor com o ambiente. Era preciso ainda que esses processos fossem lentos. Mas essas aproximações não servem na maioria das situações que ocorrem na natureza, em muitas reações químicas, por exemplo. Quando é impossível isolar termicamente um objeto de seu ambiente por muito tempo, a temperatura aumenta e diminui de maneira aparentemente imprevisível, ao contrário do que ocorre nos sistemas isolados, onde tudo tende ao equilíbrio.

Foi apenas em 1997 que o físico-químico Christopher Jarzynski descobriu uma expressão matemática capaz de calcular as variações de energia e de trabalho mecânico que acontecem fora do equilíbrio. “A equação de Jarzynski e outros teoremas de flutuação permitem que os químicos meçam em laboratório a variação de energia de uma molécula antes e depois de uma reação”, explica Serra.

O próprio Jarzynski, em colaboração com uma equipe da Califórnia, confirmou sua equação em 2005, observando o trabalho mecânico de uma molécula de RNA esticada e comprimida como uma mola. Serra nota entretanto que, apesar de microscópico, o movimento da molécula de RNA era grande o suficiente para poder ser calculado usando a famosa fórmula derivada das leis da mecânica de Newton: “Trabalho é igual força vezes deslocamento”.

As equações da termodinâmica, seja dentro ou fora do equilíbrio, foram deduzidas usando a mecânica de Newton. Mas as leis de Newton perdem sentido para vários processos que acontecem nas moléculas e para todos os que ocorrem no interior dos átomos por não ser possível medir forças e deslocamentos com precisão. Nessas escalas valem outras leis, as da mecânica quântica. Serra queria saber se equações como a de Jarzinsky ainda valeriam nesse mundo subatômico. Esse conhecimento ajudaria a entender reações químicas como a fotossíntese. Na fotossíntese, moléculas nas células das folhas funcionam como máquinas quânticas que absorvem energia das partículas de luz e a armazenam na forma de moléculas de açúcar. “O processo é muito eficiente, quase não gera calor”, diz Serra. “Estudos sugerem que é um processo quântico.”

Serra, seus alunos e colegas na UFABC tentavam havia algum tempo estudar a termodinâmica quântica em laboratório, junto com a equipe dos físicos Alexandre Souza, Ruben Auccauise, Roberto Sarthour e Ivan Oliveira, que trabalham com a técnica de ressonância magnética nuclear no CBPF. Os dois grupos mantêm uma parceria que já rendeu várias descobertas.

No centro do equipamento no laboratório do CBPF fica um pequeno tubo de ensaio contendo uma solução puríssima de clorofórmio diluído em água. Cada uma dos cerca de 1 trilhão de moléculas de clorofórmio da solução possui um átomo de carbono-13. O núcleo desse tipo de carbono tem uma propriedade quântica chamada spin, que lembra um pouco a agulha de uma bússola magnética e pode ser representada por uma seta. Sob um forte campo magnético paralelo ao tubo, apontando de baixo para cima, as setas desses spins tendem a se alinhar com o campo, metade delas apontando para baixo e metade para cima. O campo magnético também faz com que os spins apontando para baixo tenham mais energia que os spins voltados para cima.

© UFABC/Roberto Serra (infográfico da máquina quântica)

Os físicos manipulam os spins por meio de campos eletromagnéticos, que oscilam com uma frequência de 125 MHz (megahertz); o equipamento precisa ser isolado para não captar as estações de rádio FM que transmitem nessa frequência. Essas manipulações são feitas por meio de pulsos de onda e não duram mais que alguns microssegundos. O experimento acontece tão rapidamente que é como se, por alguns instantes, cada átomo de carbono no tubo de ensaio estivesse isolado do resto do Universo, submetido a uma temperatura muito próxima do zero absoluto (-273º Celsius). Os pesquisadores conseguem diminuir ou aumentar a diferença de energia entre os spins para baixo e para cima quando reduzem ou aumentam a amplitude de suas ondas de rádio. Quando essa mudança de amplitude é muito rápida, os spins saem de seu isolamento térmico e começam tanto a absorver energia das ondas de rádio – situação em que as ondas realizam trabalho sobre os spins – quanto a transmitir parte de sua energia para as ondas, realizando trabalho sobre elas. “Isso é muito difícil de medir, pois os spins dos carbonos podem trocar energia de quatro maneiras diferentes, todas acontecendo ao mesmo tempo, de maneira probabilística”, explica Serra. “Conheci um grupo na Alemanha que tentou fazer esse mesmo experimento por cinco anos sem sucesso.”

O que impediu o sucesso do grupo alemão, segundo Serra, foi o fato de os físicos tentarem medir diretamente quantas vezes a energia era emitida ou absorvida pelos spins. “O erro acumulado nessas medidas era tão grande que no fim não conseguiam determinar nada”, explica.

A solução chegou mais cedo para Serra, em fevereiro de 2013, quando o físico Mauro Paternostro, da Queen’s University, em Belfast, Irlanda, apresentou um seminário na UFABC sobre propostas inéditas de se observar o trabalho produzido por partículas de luz de maneira indireta. Logo Paternostro, atualmente professor visitante na UFABC, e Laura Mazzola, sua colega em Belfast, começaram a discutir com Serra, Auccauise e o estudante de doutorado na UFABC Tiago Batalhão como adaptar essas técnicas para observar o trabalho dos spins de carbono indiretamente. Com John Good, da Universidade de Oxford, Inglaterra, a equipe descobriu um modo esperto de usar os spins dos núcleos de hidrogênio das moléculas de clorofórmio para espiar o que acontece com os spins dos átomos de carbono enquanto realizam trabalho, sem interferir no processo.

A precisão do experimento foi suficiente para registrar variações de temperatura nos spins de carbono da ordem de bilionésimos de graus e verificar que a equação de Jarzinsky vale na escala subatômica. Outro resultado interessante: os spins de carbono possuem uma tendência maior de extrair energia das ondas de rádio quando a amplitude do pulso de onda é reduzida. A tendência se inverte quando a amplitude de onda é aumentada: os spins tendem a transferir energia para as ondas, ou seja, fazer trabalho sobre as ondas.

“Podemos explorar essa diferença para criar uma máquina térmica quântica”, diz Serra. A máquina funcionaria alternando pulsos de amplitude reduzida e aumentada entre dois estados de equilíbrio térmico, cada um com uma temperatura diferente. A máquina funcionaria de maneira parecida com a de um motor a combustão, que realiza trabalho mecânico com parte da energia química transformada em calor com a explosão do combustível.

A máquina de spins teria pouca utilidade: o trabalho produzido forneceria uma energia ínfima para as ondas de rádio, apenas suficiente para mexer o spin de um núcleo atômico qualquer. Serra está mais interessado em medir quanta energia ela gasta e quanto calor ela dissipa durante seu funcionamento.

“A técnica aplicada nesse experimento tem grande potencial”, diz o físico Lucas Céleri, da Universidade Federal de Goiás, que planeja observar a termodinâmica de uma única partícula de luz em parceria com os físicos Paulo Souto Ribeiro e Stephen Walborn, da Universidade Federal do Rio de Janeiro. “Avanços experimentais são muito raros na termodinâmica quântica, devido à necessidade de controlar o sistema quântico e seu isolamento do ambiente.”

Fonte: FAPESP (Pesquisa)