Pode-se pensar que a pinça óptica - um feixe de laser focalizado que pode reter pequenas partículas - já é antiga. Afinal, a pinça foi inventada por Arthur Ashkin em 1970. E ele recebeu o Prêmio Nobel deste ano - presumivelmente depois que suas principais implicações se realizaram durante o último meio século.
Surpreendentemente, isso está longe de ser verdade. A pinça óptica está revelando novas capacidades enquanto ajuda os cientistas a entender a mecânica quântica, a teoria que explica a natureza em termos de partículas subatômicas.
Esta teoria levou a algumas conclusões estranhas e contra-intuitivas. Um deles é que a mecânica quântica permite que um único objeto exista em dois estados diferentes da realidade ao mesmo tempo. Por exemplo, a física quântica permite que um corpo esteja simultaneamente em dois locais diferentes no espaço - ou ambos mortos e vivos, como no famoso experimento de pensamento do gato de Schrödinger.
Os dois estados do gato de Schrodinger: morto (à esquerda) e vivo (à direita). A física quântica diz que o gato pode existir em ambos os estados simultaneamente. (Rhoeo / Shutterstock.com) O nome técnico para esse fenômeno é superposição. Superposições foram observadas para pequenos objetos como átomos simples. Mas claramente, nunca vemos uma superposição em nossas vidas cotidianas. Por exemplo, não vemos uma xícara de café em dois locais ao mesmo tempo.
Para explicar essa observação, físicos teóricos sugeriram que para objetos grandes - mesmo para nanopartículas contendo cerca de um bilhão de átomos - as superposições colapsam rapidamente em uma ou outra das duas possibilidades, devido a uma quebra da mecânica quântica padrão. Para objetos maiores, a taxa de colapso é mais rápida. Para o gato de Schrõdinger, esse colapso - para "vivo" ou "morto" - seria praticamente instantâneo, explicando por que nunca vemos a superposição de um gato em dois estados ao mesmo tempo.
Até recentemente, essas “teorias de colapso”, que exigiriam modificações na mecânica quântica de livros didáticos, não poderiam ser testadas, pois é difícil preparar um objeto grande em uma superposição. Isso ocorre porque os objetos maiores interagem mais com seus arredores do que átomos ou partículas subatômicas - o que leva a vazamentos no calor que destroem estados quânticos.
Como físicos, estamos interessados em teorias de colapso porque gostaríamos de entender melhor a física quântica e, especificamente, porque há indicações teóricas de que o colapso poderia ser devido a efeitos gravitacionais. Uma conexão entre a física quântica e a gravidade seria estimulante, já que toda a física repousa sobre essas duas teorias, e sua descrição unificada - a chamada Teoria de Tudo - é um dos grandes objetivos da ciência moderna.
Digite a pinça óptica
Pinças ópticas exploram o fato de que a luz pode exercer pressão sobre a matéria. Embora a pressão de radiação até mesmo de um raio laser intenso seja bastante pequena, Ashkin foi a primeira pessoa a mostrar que era grande o suficiente para suportar uma nanopartícula, contrariando a gravidade, efetivamente levitando-a.
Em 2010, um grupo de pesquisadores percebeu que essa nanopartícula mantida por uma pinça óptica estava bem isolada de seu ambiente, uma vez que não estava em contato com nenhum suporte material. Seguindo essas idéias, vários grupos sugeriram maneiras de criar e observar superposições de uma nanopartícula em dois locais espaciais distintos.
Um intrigante esquema proposto pelos grupos de Tongcang Li e Lu Ming Duan em 2013 envolveu um cristal de nanodiamante em uma pinça. A nanopartícula não fica parada na pinça. Em vez disso, oscila como um pêndulo entre dois locais, com a força restauradora proveniente da pressão de radiação devido ao laser. Além disso, este nanocristal de diamante contém um átomo de nitrogênio contaminante, que pode ser considerado como um minúsculo ímã, com um pólo norte (N) e um pólo sul (S).
A estratégia Li-Duan consistiu em três etapas. Primeiro, eles propuseram o resfriamento do movimento da nanopartícula ao seu estado fundamental quântico. Este é o menor estado de energia que esse tipo de partícula pode ter. Podemos esperar que, nesse estado, a partícula pare de se mover e não oscile. No entanto, se isso acontecesse, saberíamos onde estava a partícula (no centro da pinça), bem como a velocidade em que ela se movia (de modo algum). Mas o conhecimento perfeito simultâneo de posição e velocidade não é permitido pelo famoso princípio de incerteza de Heisenberg da física quântica. Assim, mesmo em seu estado mais baixo de energia, a partícula se move um pouco, apenas o suficiente para satisfazer as leis da mecânica quântica.
Em segundo lugar, o esquema de Li e Duan exigia que o átomo de nitrogênio magnético fosse preparado em uma superposição de seu pólo norte apontando para cima e para baixo.
Finalmente, um campo magnético era necessário para ligar o átomo de nitrogênio ao movimento do cristal de diamante levitado. Isso transfere a superposição magnética do átomo para a superposição de localização do nanocristal. Essa transferência é possibilitada pelo fato de o átomo e a nanopartícula estarem emaranhados pelo campo magnético. Ocorre da mesma forma que a superposição da amostra radioativa decaída e não decomposta é convertida na superposição do gato de Schrodinger em estados mortos e vivos.
Provando a teoria do colapso
Colapso da superposição em um único local. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) O que deu esses dentes de trabalho teóricos foram dois desenvolvimentos experimentais excitantes. Já em 2012 os grupos de Lukas Novotny e Romain Quidant mostraram que era possível resfriar uma nanopartícula levitativamente levemente a um centésimo de grau acima do zero absoluto - a temperatura mais baixa teoricamente possível - modulando a intensidade da pinça óptica. O efeito foi o mesmo que o de desacelerar uma criança em um balanço, empurrando nos momentos certos.
Em 2016, os mesmos pesquisadores conseguiram esfriar até um décimo de milésimo de grau acima do zero absoluto. Por volta dessa época, nossos grupos publicaram um artigo estabelecendo que a temperatura necessária para alcançar o estado fundamental quântico de uma nanopartícula pinçada estava em torno de um milionésimo de grau acima do zero absoluto. Este requisito é desafiador, mas ao alcance de experimentos em andamento.
O segundo desenvolvimento empolgante foi a levitação experimental de um nanodiamante portador de defeitos de nitrogênio em 2014 no grupo de Nick Vamivakas. Usando um campo magnético, eles também conseguiram alcançar o acoplamento físico do átomo de nitrogênio e o movimento do cristal requerido pelo terceiro passo do esquema de Li-Duan.
A corrida agora está em andamento para chegar ao estado fundamental de modo que - de acordo com o plano Li-Duan - um objeto em dois locais possa ser observado colapsando em uma única entidade. Se as superposições forem destruídas na taxa prevista pelas teorias do colapso, a mecânica quântica, tal como a conhecemos, terá que ser revisada.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
Mishkat Bhattacharya, Professor Associado da Escola de Astronomia, Instituto de Tecnologia de Rochester e Nick Vamivakas, Professor Associado de Óptica Quântica e Física Quântica, Universidade de Rochester
