Físicos dizem que construíram um laser atômico que pode funcionar para ‘sempre’

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Esquema mostrando como os átomos são propagados através do experimento. (Créditos: Universidade de Amsterdã/Scixel)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

Um novo avanço permitiu que os físicos criassem um feixe de átomos que se comporta da mesma maneira que um laser e que teoricamente pode permanecer “para sempre”.

Isso pode finalmente significar que a tecnologia está a caminho da aplicação prática, embora ainda existam limitações significativas.

No entanto, este é um grande avanço para o que é conhecido como “laser atômico” – um feixe feito de átomos operando como uma única onda que poderia um dia ser usado para testar constantes físicas fundamentais e tecnologia de engenharia de precisão.

Os lasers atômicos existem há um tempo. O primeiro laser atômico foi criado por uma equipe de físicos do MIT em 1996. O conceito parece bastante simples: assim como um laser tradicional baseado em luz consiste em fótons se movendo com suas ondas em sincronia, um laser feito de átomos exigiria que sua própria natureza ondulatória se alinhasse antes de ser embaralhada como um feixe.

Como acontece com muitas coisas na ciência, no entanto, é mais fácil conceituar do que colocar em prática. Na raiz do laser atômico está um estado da matéria chamado condensado de Bose-Einstein, ou CBE.

Um CBE é criado resfriando uma nuvem de bósons a apenas uma fração acima do zero absoluto. Em temperaturas tão baixas, os átomos afundam para seu estado de energia mais baixo possível sem parar completamente.

Quando atingem essas baixas energias, as propriedades quânticas das partículas não podem mais interferir umas nas outras; eles se aproximam o suficiente um do outro para se sobreporem, resultando em uma nuvem de átomos de alta densidade que se comporta como um ‘superátomo’ ou onda de matéria.

No entanto, CBEs são uma espécie de paradoxo. Eles são muito frágeis; mesmo a luz pode destruir um CBE. Dado que os átomos em um CBE são resfriados usando lasers ópticos, isso geralmente significa que a existência de um CBE é passageira.

Os lasers atômicos que os cientistas conseguiram até hoje são em pulsações, em vez de contínuos; e envolvem disparar apenas um pulso antes que um novo CBE precise ser gerado.

Para criar um CBE contínuo, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Amsterdã, na Holanda, percebeu que algo precisava mudar.

“Em experimentos anteriores, o resfriamento gradual dos átomos era feito em um só lugar. Em nossa configuração, decidimos distribuir as etapas de resfriamento não ao longo do tempo, mas no espaço: fazemos os átomos se moverem enquanto progridem por etapas consecutivas de resfriamento”, explicou o físico Florian Schreck.

“No final, os átomos ultrafrios chegam ao coração do experimento, onde podem ser usados ​​para formar ondas de matéria coerentes em um CBE. Mas enquanto esses átomos estão sendo usados, novos átomos já estão a caminho para reabastecer o CBE. Desta forma, podemos manter o processo em andamento – essencialmente para sempre.”

Esse ‘coração do experimento’ é uma armadilha que mantém o CBE protegido da luz, um reservatório que pode ser continuamente reabastecido enquanto o experimento for executado.

Proteger o CBE da luz produzida pelo laser de resfriamento, no entanto, embora simples na teoria, foi novamente um pouco mais difícil na prática. Não havia apenas obstáculos técnicos, mas também burocráticos e administrativos.

“Ao nos mudarmos para Amsterdã em 2013, começamos com um tiro no escuro, fundos emprestados, uma sala vazia e uma equipe inteiramente financiada por doações pessoais”, disse o físico Chun-Chia Chen, que liderou a pesquisa.

“Seis anos depois, nas primeiras horas da manhã de Natal de 2019, o experimento estava finalmente prestes a funcionar. Tivemos a ideia de adicionar um feixe de laser extra para resolver uma última dificuldade técnica e, instantaneamente, todas as imagens que tiramos mostraram um CBE, o primeiro CBE de onda contínua.”

Agora que a primeira parte do laser de átomo contínuo foi realizada – a parte do “átomo contínuo” – o próximo passo, disse a equipe, é trabalhar na manutenção de um feixe de átomo estável. Eles poderiam conseguir isso transferindo os átomos para um estado não aprisionado, extraindo assim uma onda de matéria em propagação.

Como eles usaram átomos de estrôncio, uma escolha popular para CBE, a perspectiva abre oportunidades interessantes, disseram eles. A interferometria de átomos usando CBEs de estrôncio, por exemplo, poderia ser usada para conduzir investigações de relatividade e mecânica quântica, ou detectar ondas gravitacionais.

“Nosso experimento é o análogo de onda de matéria de um laser óptico de onda contínua com espelhos de cavidade totalmente reflexivos”, escreveram os pesquisadores em seu paper.

“Esta demonstração de prova de conceito fornece uma nova peça de óptica atômica, até então ausente, permitindo a construção de dispositivos de ondas de matéria coerentes contínuas.”

A pesquisa foi publicada na Nature.