Fsicos aproximam-se de isolar um quantum de som

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Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 20/12/2021

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A luz laser se propaga em uma fibra ptica cnica e acoplada a um microrressonador de modo galeria sussurrante, onde circula at um milho de vezes. Conforme a luz circula, ela interage com as ondas acsticas de alta frequncia.
[Imagem: Jack Clarke (www.qmeas.net)]

Fronteira entre quntico e clssico

Fsicos deram um passo enorme para capturar um nico quantum de vibrao, o menor elemento que forma o som, por exemplo, ou o calor.

O grande interesse que essas partculas, chamadas fnons, so ondas de grandes comprimentos; e, sendo maiores, elas permitem estudar a to procurada fronteira entre os mundos clssico e quntico, ou seja, o ponto a partir do qual as coisas deixam de se comportar como em nosso mundo cotidiano, ou clssico, e passam a obedecer s contraintuitivas leis da mecnica quntica.

Hoje, os fsicos j conseguem pode gerar e controlar estados qunticos em uma ampla variedade de sistemas fsicos, das partculas individuais de luz at molculas complexas, formadas por milhares de tomos. este controle que est permitindo o desenvolvimento de tecnologias qunticas poderosas, como a a computao, as comunicaes e a criptografia qunticas, mas tambm novas fontes de luz, microscpios mais poderosos e uma infinidade de outras.

A expectativa que, ao conseguir lidar com fnons individuais, abram-se novas janelas de pesquisas e de oportunidades para compreender e controlar fenmenos em escalas muito maiores.

Este o resultado que acaba de ser apresentado por uma equipe das universidades de Oxford (Reino Unido) e Nacional Australiana, e dos institutos Niels Bohr e Max Planck (Alemanha).

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Surpreendentemente, quando um nico quantum de som capturado, seu nmero no ressonador dobra – isso no viola a conservao de energia, sendo devido s estatsticas dos fnons termais.
[Imagem: Georg Enzian et al. – 10.1103/PhysRevLett.127.243601]

Experimento

Georg Enzian e seus colegas implementaram uma tcnica que explora as correlaes entre ftons e fnons colocados para interagir dentro de um ressonador. Para isso, uma luz laser injetada em um microrressonador, um dispositivo que permite armazenar a luz fazendo-a ficar dando voltas em torno de um pequeno anel ou prato.

Curiosamente, um microrressonador baseado no efeito das galerias sussurrantes, que nasceram como um fenmeno acstico, mas que hoje so largamente aplicadas luz. Conforme a luz circula no prato, ela induz vibraes, ou seja, os ftons da luz induzem fnons, que so unidades fundamentais do som. Ainda no temos como detectar unidades fundamentais do som – o experimento faz parte das tentativas nesse sentido – mas j podemos detectar facilmente um nico fton.

Ocorre que, ao circularem no disco do ressonador, os dois tipos de ondas – de luz e sonoras – se acoplam por meio de uma interao eletromagntica, energizando os ftons, ou seja, fazendo a luz brilhar em uma frequncia mais elevada – uma nova cor.

Ento, para lidar com um fnon individual, a equipe detecta um nico fton que sofreu essa chamada converso ascendente, ou seja, que mudou de frequncia em relao ao laser original. “A deteco de um nico fton nos d um sinal definitivo para o evento de que subtramos um nico fnon,” disse Enzian.

Subtrao leva multiplicao

Ainda no a captura de um fnon individual, mas sua subtrao j permite alguns estudos sobre a influncia desse elusivo quantum de som.

E seus efeitos foram bem mais surpreendentes do que se poderia esperar.

Quando o experimento realizado em uma temperatura estvel, o campo sonoro apresenta flutuaes aleatrias de rudo trmico. Assim, em qualquer tempo, o nmero exato de quanta de som presente desconhecido, mas, em mdia, haver inicialmente n fnons.

O que acontece agora quando voc adiciona ou subtrai um nico fnon? primeira vista, voc pode esperar que isso simplesmente mudasse a mdia para n + 1 ou n – 1, respectivamente; no entanto, o resultado real desafia essa intuio: Na verdade, de forma bastante contra-intuitiva, quando voc subtrai um nico fnon, o nmero mdio de fnons na verdade sobe para 2n.

Este resultado surpreendente, onde o nmero mdio de quanta duplica, j havia sido observado para experimentos de subtrao de ftons totalmente pticos, mas agora ele foi observado pela primeira vez fora do domnio da ptica.

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Um fnon pode se associar tambm a um eltron, formando um fniton, um hbrido de som e matria.
[Imagem: C. Tahan/Laboratory for Physical Sciences]

Quantum de som

Em resumo, a equipe chegou o mais perto at agora de isolar um quantum de som, a unidade mais fundamental de vibrao.

E, como as vibraes envolvem aparatos em escala humana, o experimento aponta para a possibilidade de criar estados qunticos no apenas macroscpicos, mas na forma de uma srie contnua de dimenses, permitindo testar os limites da mecnica quntica – sem falar nas inmeras possibilidades de aplicaes prticas.

“A gerao de estados qunticos no-gaussianos importante para a pesquisa em informaes qunticas e sobre os fundamentos da fsica e, ainda mais entusiasmante, esta pesquisa nos aproxima de gerar esses estados em uma escala macroscpica usando campos sonoros,” reforou Enzian.

RAM quntica

Foi apenas a primeira observao desse estado inusitado, mas a equipe j est pensando longe quando fala de sua explorao prtica.

“Trabalhos futuros usando essa abordagem oferecem uma rota prtica para armazenar e recuperar informaes qunticas de forma coerente. Ou seja, fazer uma RAM quntica para um computador quntico. Alm disso, esse tipo de pesquisa pode lanar uma luz muito necessria sobre os diferentes mecanismos que fazem com que os frgeis fenmenos qunticos decaiam e se tornem clssicos,” disse o professor Michael Vanner, orientador da equipe.

Bibliografia:

Artigo: Non-Gaussian Mechanical Motion via Single and Multiphonon Subtraction from a Thermal State
Autores: Georg Enzian, L. Freisem, John J. Price, A. O. Svela, J. Clarke, B. Shajilal, J. Janousek, B. C. Buchler, P. K. Lam, Michael R. Vanner
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 127, 243601
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.243601

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