Os físicos demonstraram que mesmo pequenos pedaços de metal podem se comportar de acordo com as estranhas leis da mecânica quântica, que existem em estados espalhados por múltiplas posições simultaneamente. Um novo estudo publicado em a naturezaPesquisadores da Universidade de Viena e da Universidade de Duisburg-Essen mostraram que nanopartículas metálicas feitas de milhares de átomos de sódio 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 que se aproximam do mundo macroscópico.
Comportamento quântico além de partículas minúsculas
A física quântica descreve um mundo onde a matéria pode se comportar tanto como partícula quanto como onda. Os cientistas confirmaram este comportamento incomum em elétrons, átomos e pequenas moléculas usando interferência repetida e experimentos de fenda dupla. Mas na vida cotidiana, objetos comuns como pedras, poeira ou bolinhas de gude seguem as leis previsíveis da física clássica, permanecendo em um lugar e movendo-se ao longo de caminhos definidos.
Uma equipe de pesquisa de Viena liderada por Markus Arndt e Stefan Gerlich estendeu pela primeira vez esses efeitos quânticos a nanopartículas metálicas muito maiores. Os aglomerados de sódio usados no experimento mediam aproximadamente 8 nanômetros de diâmetro, semelhante em escala aos componentes modernos de transistores. Cada aglomerado tinha uma massa superior a 170.000 unidades de massa atômica, tornando-os mais pesados que a maioria das proteínas.
Mesmo nessa escala, as partículas ainda produzem interferência quântica mensurável.
“Intuitivamente, seria de esperar que um metal tão grande se comportasse como uma partícula clássica”, disse o principal autor e estudante de doutorado, Sebastian Pedalino. “Ainda interfere, mostrando que a mecânica quântica é válida mesmo nesta escala e que modelos alternativos não são necessários”.
Criando um “Pedaço de Metal de Schrödinger”.
Para realizar o experimento, os pesquisadores criaram aglomerados de sódio ultrafrio contendo de 5.000 a 10.000 átomos. As partículas então viajaram através de três redes de difração geradas por um feixe de laser ultravioleta.
O primeiro feixe de laser posicionou cada cluster com uma precisão de cerca de 10 nm e colocou as partículas em uma superposição quântica, o que significa que elas poderiam seguir vários caminhos através do dispositivo simultaneamente. À medida que esses caminhos possíveis se sobrepunham mais tarde no experimento, eles produziram um padrão de interferência listrado detectável que correspondia às previsões da teoria quântica.
Os resultados indicaram que as partículas não ocuparam uma posição fixa durante o voo. Em vez disso, o seu estado quântico está espalhado por uma região dezenas de vezes maior que a própria partícula.
Os físicos descrevem esses estados como estados do gato de Schrödinger, referindo-se ao famoso experimento mental do físico austríaco Erwin Schrödinger de um gato que está simultaneamente morto e vivo até ser observado. Neste caso, os pesquisadores descreveram os aglomerados metálicos como efetivamente “aqui e não aqui” ao mesmo tempo.
Um teste recorde de mecânica quântica
Klaus Hornberger (Universidade de Essen de Duisburg), coautor do novo estudo, passou as últimas duas décadas desenvolvendo a base teórica para essa interferometria de campo próximo. Hornberger e Stefan Nimrichter (então Universidade de Viena) introduziram pela primeira vez o conceito de macroscopicidade, uma forma de comparar a intensidade com que experimentos diferentes testam os limites da mecânica quântica.
A macroscopicidade permite aos cientistas medir a eficácia com que experimentos envolvendo sistemas como nanoosciladores, interferômetros nucleares e ressonadores nanoacústicos cancelam até mesmo pequenos desvios da teoria quântica padrão.
No novo experimento, a equipe alcançou um valor de macroscopicidade de μ = 15,5. De acordo com os pesquisadores, isso é aproximadamente uma ordem de magnitude superior aos experimentos anteriores em todo o mundo.
Para atingir o mesmo nível de precisão dos experimentos com elétrons, os cientistas precisariam armazenar superposições quânticas de elétrons por cerca de 100 milhões de anos. As nanopartículas metálicas de Viena alcançaram esta referência em apenas um centésimo de segundo.
Aplicações futuras e experimentos quânticos maiores
Além de testar os fundamentos da física, o 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 investigar partículas maiores e materiais adicionais em estudos futuros, potencialmente levando esses experimentos a outras ordens de magnitude. Espera-se que a infra-estrutura experimental melhorada e o equipamento actualizado tornem possíveis medições mais sensíveis.
O interferômetro de Viena serve como um sensor de força altamente preciso, capaz de detectar forças tão pequenas quanto 10-26 N. Os pesquisadores dizem que versões futuras poderão se tornar ainda mais sensíveis, abrindo a possibilidade para medições altamente precisas de propriedades elétricas, magnéticas e ópticas em nanopartículas isoladas. Essas capacidades poderiam eventualmente apoiar novos avanços em nanotecnologia e detecção de precisão.
O estudo foi realizado por investigadores da Universidade de Viena, liderados por Markus Arndt e Stefan Görlich, em colaboração com Klaus Hornberger, da Universidade de Duisburg-Essen. Os resultados são publicados a natureza.
O experimento foi substancialmente financiado por:
- Fundação Der Gordon & Betty Moore concede GMBF10771
- Fundo para a Promoção da Pesquisa Científica, FWF, MUSCLE #32542-N
