David Wineland
O Prémio Nobel da Física de 2012 foi atribuído, pelo comité, ao físico francês Serge Haroch e ao físico norte americano David Wineland pelo seu trabalho desenvolvido na área da física quântica “Particle control in a quantum world” (Manipulação de Sistemas Quânticos Individuais).
Serge Haroche
Os trabalhos desenvolvidos por estes dois físicos abrem as portas para uma nova era do experimentalismo na área da física quântica, pois passa a ser possível observar partículas sem que estas tenham de ser destruídas para ser detectadas. Nos laboratórios usados foi possível trabalhar com partículas e manipulá-las nos mais frágeis estados quânticos, isto pode ser um grande passo para a construção do super computador quântico.
Esta manipulação poderá levar à construção de relógios altamente precisos, cuja precisão é cerca de 100 vezes superior à dos atuais relógios atómicos de Césio.
As leis da física clássica falham quando se trabalha com partículas isoladas, pelo que a física quântica assume, aqui, o seu papel.
Controlar iões através de uma “armadilha”
Os átomos carregados ou iões são aprisionados numa “armadilha” constituída por campos eléctricos. As partículas são isoladas do calor e radiação, sendo que estas experiências foram feitas n vácuo e a temperaturas muito baixas. Recorrendo ao bom domínio das técnicas de laser de Wineland, foi possível usar feixes de laser para suprimir o movimento oscilatório dos iões e portanto fazer com que este se encontrasse no estado de menor energia. Posteriormente por ajuste de um pulso de laser cuidadosamente preparado é possível colocar o ião num estado de sobreposição, ou seja o átomo fica preparado para ocupar dois níveis de energia diferentes ao mesmo tempo. Para isso inicia-a a experiência com um ião no estado mais baixo de energia e depois faz-se incidir um pulso laser sobre o mesmo de modo a que meio ião ocupe o estado de energia seguinte, assim cria-se uma situação de sobreposição em que o ião tem igual probabilidade de ocupar o nível mais elevado de energia ou o nível mais baixo.
“In David Wineland’s laboratory in Boulder, Colorado, electrically charged atoms or ions are kept inside a trap by surrounding electric fields. One of the secrets behind Wineland’s breakthrough is mastery of the art of using laser beams and creating laser pulses. A laser is used to put the ion in its lowest energy state and thus enabling the study of quantum phenomena with the trapped ion.”
Controlar fotões isolados na “armadilha”
Este experimento levado a cabo por Haroche em França permitiu aprisionar fotões entre dois espelhos convexos, numa cavidade com cerca de 3 cm. Os espelhos são feitos de um material supercondutor e são arrefecidos até próximo do zero absoluto. Estes são os espelhos mais reflectores do mundo e fazem com que um único fotão percorra aquela espaço durante quase 0,1 segundos antes de ser absorvido ou se perca. Assim o fotão percorre cerca de 40 000 km durante esse tempo, o equivalente a uma volta em torno da Terra. Durante o tempo em que o fotão está aprisionado muitas manipulações quânticas podem se feitas.
Após o fotão iniciar o percurso entre os espelhos um grande átomo de Rydberg é lançado para o interior da cavidade com um velocidade específica para colidir com o electrão, o átomo atravessa a cavidade e é recolhido na outra extremidade. Por análise e comparação dos estados quânticos inicias e finais é possível determinar se ocorreu ou não a interacção entre o átomo e o electrão. Este método permite então determinar a presença de um único fotão sem que este seja destruído.
In the Serge Haroche laboratory in Paris, in vacuum and at a temperature of almost absolute zero, the microwave photons bounce back and forth inside a small cavity between two mirrors. The mirrors are so reflective that a single photon stays for more than a tenth of a second before it is lost. During its long life time, many quantum manipulations can be performed with the trapped photon without destroying it.
Paradoxos da Mecânica Quântica
Estas leis da sobreposição de dois estados a nível quântico parecem muito interessantes, mas porque é que isso não se reflecte numa sobreposição a nível macroscópico, ou seja nos objetos do dia-a-dia?
“Schrödinger’s cat. In 1935 the Austrian physicist and Nobel Laureate Erwin Schrödinger described a thought experiment with a cat in a box in order to illustrate the absurd consequences
of moving between the micro-world of quantum physics and our every-day macro-world. A quantum system, particles, atoms and other stuff of the micro-world, can be in two states simultaneously, by physicists called a superposition of states. In Schrödinger’s thought experiment the cat in the box is in a superposition, and thus both dead and alive. Now, if you peek inside the box, you risk killing the cat because the quantum superposition is so sensitive to inter- action with the environment that the slightest attempt to observe the cat would immediately ‘collapse’ the ‘cat-state’ to one of the two possible outcomes – dead or alive.”
O que estes dois cientistas vencedores do prémio Nobel de 2012 conseguiram foi observar partículas num estado de sobreposição, não foram partículas tão grandes como o gato de Schrödinger, mas foram realizadas com partículas grandes comparativamente aos padrões quânticos.
Na experiência dos fotões aprisionados foram colocados dois fotões em fases contrárias, pela análise dos resultados obtidos com o átomo de Rydberg foi possível visualizar um outro fenómeno quântico, o emaranhamento. O emaranhamento corresponde a uma interacção entre duas partículas que embora não se toquem conseguem definir as propriedades uma da outra.
Um novo relógio
Esta descoberta permite ainda construção de relógios muito mais precisos pois recorre-se a uma partícula que conta o tempo e outra que lê o tempo, assim não perturbação por parte do observador que leve à destruição do estado de sobreposição.
Fonte: Nobel Prize (1), (2), Wikipedia