sábado, 7 de agosto de 2010

Fenômenos quânticos em sistemas mecânicos

Um acoplamento de espelhos que emitem fótons através da luz e um ressonador micromecânico que é forte o bastante para transferir efeitos quânticos para o mundo macroscópico pode caracterizar esta interação.
levitação óptica
© Nature (oscilação optomecânica)
A física quântica é cheia de paradoxos e comportamentos bizarros, como gatos em caixas que estão vivos e mortos ao mesmo tempo e partículas que interagem instantaneamente mesmo quando uma delas foi para o outro lado da galáxia.
O entrelaçamento de partículas e a superposição quântica são fenômenos bem conhecidos e explorados pelos pesquisadores que estão tentando construir computadores quânticos. Uma superposição quântica é um estado no qual uma partícula, como um fóton ou um átomo, existe simultaneamente em dois locais, somente quando se tenta detectar sua posição, sua função de onda colapsa e uma das posições é estabelecida.
O entrelaçamento quântico, algumas vezes chamado de emaranhamento, foi o que Albert Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância", ele permite que as partículas compartilhem informações instantaneamente, mesmo estando fisicamente separadas por grandes distâncias.
E será que essas leis da física quântica podem de alguma forma serem aplicadas aos objetos em escala humana, ou pelo menos a objetos que possam ser vistos a olho nu? Esta é uma questão que os próprios físicos têm se perguntado desde o início da formulação da teoria.
interação quântica
© Nature (interação quântica)
O estudo do comportamento quântico em pequenos sistemas mecânicos tem como prioridade fundamental a eliminação de interferências nas interações entre o sistema e o seu ambiente. As vibrações térmicas aleatórias do ambiente são facilmente transferidas para o objeto mecânico, destruindo suas frágeis propriedades quânticas.
Para resolver este problema, pesquisadores do mundo todo começaram a usar dispositivos criogênicos, onde o ambiente é resfriado a uma temperatura muito baixa, reduzindo a magnitude dessas vibrações aleatórias, e a isolar os sistemas quânticos em armadilhas magnéticas para que o sistema não tenha nenhum contato direto com o ambiente externo.
Recentemente, as tecnologias de micro e nanofabricação estão permitindo que os cientistas façam experimentos de acoplamento entre o mundo quântico e mundo mais trivial.
As pesquisas começaram com pequenos objetos que oscilam mecanicamente, chamados ressonadores, que se comportam como se fossem pêndulos. Como existem ressonadores com tamanhos que vão desde vários centímetros até algumas poucas centenas de nanômetros, eles são os maiores objetos em que se pode testar a teoria quântica.
O objetivo das pesquisas eram transferir as propriedades de um sistema quântico elementar constituído de um átomo, um elétron ou um fóton para o objeto mecânico macroscópico. Para isso, são necessárias duas condições: primeiro, o ressonador mecânico deve ser resfriado até próximo do zero absoluto; segundo, a força entre o ressonador mecânico e o átomo, elétron ou fóton deve ser forte o suficiente para superar o decaimento natural das propriedades quânticas, tecnicamente chamado decoerência.
Para gerar o acoplamento forte necessário é utilizado um princípio bem conhecido na óptica quântica: um ressonador óptico. Como a reflexão de um único fóton através de um espelho não gera a força suficiente para acionar o ressonador mecânico, os fótons são injetados entre dois espelhos paralelos, onde ficam refletindo entre um e outro até adquirirem energia suficiente para escapar através de um dos espelhos, que não é um refletor perfeito.
Com o número suficiente de fótons, capazes de superar a tendência natural à decoerência, a troca de energia entre a luz e o oscilador mecânico acontece mais rapidamente do que o tempo que os fótons precisam para sair da armadilha óptica formada pelos dois espelhos; com isso, o movimento da luz e do ressonador mecânico entram em sintonia, ficando acoplados.
Os efeitos do mundo quântico parecem também vazar para o mundo macro, porque a oscilação não é nem puramente mecânica e nem puramente óptica, é um híbrido entre as duas, uma oscilação optomecânica.
Com aplicações deste tipo é possível testar até que ponto as leis da física quântica são válidas no mundo macro.
Fonte: Nature

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