Os físicos demonstraram que mesmo pequenos pedaços de metal podem comportar-se de acordo com as estranhas regras da mecânica quântica, existindo num estado que é distribuído em vários locais ao mesmo tempo. Em um novo estudo publicado em naturezaPesquisadores das Universidades de Viena e Duisburg-Essen mostraram que nanopartículas metálicas compostas por milhares de átomos de sódio ainda exibem comportamento quântico, apesar de serem muito maiores e mais pesadas do que as partículas normalmente usadas em tais experimentos.
A conquista representa um dos testes mais poderosos da mecânica quântica até agora em escalas próximas ao mundo macroscópico.
Além do comportamento quântico de pequenas partículas
A física quântica descreve um mundo no qual a matéria pode se comportar tanto como partículas quanto como ondas. Os cientistas confirmaram repetidamente este comportamento incomum em elétrons, átomos e pequenas moléculas usando interferência e experimentos de fenda dupla. Mas na vida cotidiana, objetos comuns como pedras, poeira ou bolinhas de gude parecem seguir as leis previsíveis da física clássica, permanecendo em um lugar e movendo-se ao longo de caminhos definidos.
Um grupo de pesquisa de Viena liderado por Markus Arndt e Stefan Gerlich estendeu agora esses efeitos quânticos a nanopartículas metálicas maiores pela primeira vez. Os aglomerados de sódio usados no experimento tinham cerca de 8 nanômetros de diâmetro, semelhante ao tamanho dos componentes modernos dos transistores. Cada cluster também tem uma massa de mais de 170.000 unidades de massa atômica, o que os torna mais pesados que a maioria das proteínas.
Mesmo nesta escala, as partículas ainda produzem interferência quântica mensurável.
“Intuitivamente, seria de esperar que um pedaço tão grande de metal se comportasse como uma partícula clássica”, disse o principal autor e estudante de doutorado, Sebastian Pedarino. “O facto de ainda interferir mostra que a mecânica quântica é válida mesmo nesta escala e que não é necessário nenhum modelo alternativo”.
Criando o “Bloco de Metal de Schrödinger”
Para conduzir o experimento, os pesquisadores criaram aglomerados de sódio ultrafrio contendo de 5.000 a 10.000 átomos. As partículas passam então por três redes de difração criadas por raios laser ultravioleta.
O primeiro feixe de laser determinou a posição de cada aglomerado com uma precisão de cerca de 10 nm e colocou as partículas em um estado de superposição quântica, o que significa que poderiam seguir vários caminhos através do dispositivo simultaneamente. Como esses caminhos possíveis se sobrepuseram no final do experimento, foi produzido um padrão de interferência marginal detectável que correspondia às previsões da teoria quântica.
Os resultados mostram que as partículas não ocupam uma posição fixa durante o voo. Em vez disso, os seus estados quânticos estão espalhados por uma área dezenas de vezes maior que a própria partícula.
Os físicos descrevem essas condições como o “estado do gato de Schrödinger”, referindo-se ao famoso experimento mental do físico austríaco Erwin Schrödinger envolvendo um gato que estava simultaneamente morto e vivo até ser observado. Neste caso, os investigadores descrevem o aglomerado metálico como estando “aqui e não aqui” ao mesmo tempo.
Teste recorde de mecânica quântica
A base teórica para esta interferometria de campo próximo foi desenvolvida nas últimas duas décadas por Klaus Hornberger, da Universidade de Duisburg-Essen, e coautor do novo estudo. Hornberger e Stefan Nimmrichter (então Universidade de Viena) introduziram anteriormente o conceito de macroscopicidade, uma forma de comparar quão bem diferentes experimentos testam os limites da mecânica quântica.
A macroscopicidade permite que os cientistas avaliem experimentos em sistemas como nanoosciladores, interferômetros atômicos e ressonadores nanoacústicos, medindo a eficiência com que esses sistemas excluem pequenos desvios da teoria quântica padrão.
Em novos experimentos, a equipe alcançou um valor macroscópico de μ = 15,5. Os pesquisadores dizem que isso é uma ordem de magnitude maior do que experimentos anteriores em todo o mundo.
Para alcançar o mesmo nível de precisão nos testes usando elétrons, os cientistas precisariam preservar o estado de superposição quântica do elétron por quase 100 milhões de anos. As nanopartículas metálicas de Viena levaram apenas cerca de um centésimo de segundo para atingir este valor de referência.
Aplicações futuras e experimentos quânticos em larga escala
Além de testar os fundamentos da física, este trabalho pode ajudar os pesquisadores a entender por que os efeitos quânticos dominam o mundo microscópico, enquanto os objetos do cotidiano parecem normais e clássicos.
A equipe planeja estudar partículas maiores e outros materiais em estudos futuros e pode levar esses testes adiante em várias ordens de magnitude. Espera-se que a infra-estrutura experimental melhorada e o equipamento actualizado permitam medições mais sensíveis.
Os interferômetros de Viena também podem ser usados como sensores de força extremamente precisos, capazes de detectar forças tão pequenas quanto 10-26 N. Os pesquisadores dizem que versões futuras podem se tornar ainda mais sensíveis, abrindo a possibilidade de medir as propriedades elétricas, magnéticas e ópticas de nanopartículas isoladas com alta precisão. Essas capacidades podem, em última análise, apoiar novos avanços em nanotecnologia e detecção de precisão.
Pesquisadores da Universidade de Viena, liderados por Markus Arndt e Stefan Gerlich, conduziram o estudo em colaboração com Klaus Hornberger da Universidade de Duisburg-Essen. Os resultados da pesquisa foram publicados em natureza.
A maior parte do financiamento para o experimento veio de:
- Subsídio da Fundação Der Gordon & Betty Moore GMBF10771
- Fundo de Promoção da Pesquisa Científica, FWF, MUSCLE #32542-N
