Nuvem atômica resfriada a laser vista através da câmera do microscópio. (Créditos da imagem: Universidade de Otago).

Pela primeira vez na física quântica, pesquisadores da Universidade de Otago “seguraram” átomos individuais e observaram interações atômicas complexas antes inéditas.

Uma infinidade de equipamentos, incluindo lasers, espelhos, uma câmara de vácuo e microscópios montados no Departamento de Física de Otago, além de muito tempo, energia e experiência, forneceram os “ingredientes” para investigar esse processo quântico, que até agora só era compreendido através da média estatística de experimentos envolvendo um grande número de átomos.

O experimento aprimora o conhecimento atual, oferecendo uma visão inédita do mundo microscópico, surpreendendo os pesquisadores com os resultados.

“O nosso método envolve a captura e o resfriamento individual de três átomos a uma temperatura de cerca de um milionésimo de Kelvin usando feixes de laser altamente focados em uma câmara de vácuo do tamanho de uma torradeira. Combinamos lentamente as armadilhas que contêm os átomos para produzir as interações controladas que medimos”, disse o professor associado Mikkel F. Andersen, do Departamento de Física de Otago.

Quando os três átomos se aproximam, dois formam uma molécula e todos recebem um “chute da energia” liberada no processo. Uma câmera acoplada a um microscópio permite que o processo seja ampliado e visualizado.

Mikkel Andersen (à esquerda) e Marvin Weyland (à direita) no laboratório de física. (Créditos da imagem: Universidade de Otago).

“Dois átomos por si só não podem formar uma molécula, são necessários pelo menos três para fazer a química. É a primeira vez que esse processo básico foi estudado isoladamente, e acontece que ele deu vários resultados surpreendentes que não eram esperados pela medição anterior em grandes conjuntos de átomos”, explicou o pesquisador de pós-doutorado Marvin Weyland, que liderou o experimento.

Por exemplo, os pesquisadores foram capazes de ver o resultado exato de processos individuais e observaram um novo processo em que dois átomos deixam o experimento juntos. Até agora, esse nível de detalhe era impossível de observar em experimentos com muitos átomos.

“Ao trabalhar nesse nível molecular, agora sabemos mais sobre como os átomos colidem e reagem um com o outro. Com o desenvolvimento, essa técnica pode fornecer uma maneira de construir e controlar moléculas únicas de produtos químicos específicos”, acrescentou Weyland.

O professor Andersen admite que a técnica e o nível de detalhe podem ser difíceis de entender para aqueles que estão fora do mundo da física quântica, no entanto, ele acredita que as aplicações dessa ciência serão úteis no desenvolvimento de futuras tecnologias quânticas que podem impactar a sociedade tanto quanto tecnologias que permitiam computadores modernos e a internet.

“A pesquisa sobre a capacidade de construir em escala cada vez menor impulsionou grande parte do desenvolvimento tecnológico nas últimas décadas. Por exemplo, é a única razão pela qual os celulares de hoje têm mais poder computacional do que os supercomputadores da década de 1980. A nossa pesquisa tenta pavimentar o caminho para poder construir na menor escala possível, a escala atômica, e estou emocionado ao ver como nossas descobertas influenciarão os avanços tecnológicos no futuro”, disse Andersen.

Os resultados do experimento mostraram que demorou muito mais tempo do que o esperado para formar uma molécula em comparação com outros experimentos e cálculos teóricos, que atualmente são insuficientes para explicar esse fenômeno. Embora os pesquisadores sugiram mecanismos que possam explicar a discrepância, eles destacam a necessidade de desenvolvimentos teóricos adicionais nessa área da mecânica quântica experimental. [Phys.org].

Referência:

  1. L. A. Reynolds et al. “Direct Measurements of Collisional Dynamics in Cold Atom Triads”; Physical Review Letters, 2020. Acesso em: 21 fev. 2020.