{"id":164,"date":"2010-06-23T10:28:00","date_gmt":"2010-06-23T13:28:00","guid":{"rendered":"http:\/\/scienceblogs.com.br\/universofisico\/2010\/06\/o_vibrador_que_levou_fisicos_q\/"},"modified":"2010-06-23T10:28:00","modified_gmt":"2010-06-23T13:28:00","slug":"o_vibrador_que_levou_fisicos_q","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/universofisico\/2010\/06\/23\/o_vibrador_que_levou_fisicos_q\/","title":{"rendered":"O vibrador que levou f\u00edsicos ao del\u00edrio"},"content":{"rendered":"


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\n\"OsciladorQuantico.jpg\"\n<\/div>\n

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Quase vis\u00edvel a olho nu, o pedacinho de metal na foto acima obtida por um microsc\u00f3pio eletr\u00f4nico, foi projetado para se mexer e ficar parado ao mesmo tempo. Qualquer semelhan\u00e7a com o Gato de Schr\u00f6dinger–o felino infeliz que est\u00e1 vivo e morto simultaneamente no experimento imagin\u00e1rio proposto por Erwin Schr\u00f6dinger<\/a>, um dos pioneiros da mec\u00e2nica qu\u00e2ntica–n\u00e3o \u00e9 mera coincid\u00eancia.<\/span><\/p>\n<\/p>\n

O mecanismo capaz de vibrar e n\u00e3o vibrar ao mesmo tempo \u00e9 obra de Aaron O’Connell e mais onze colegas do laborat\u00f3rio de Andrew Cleland<\/a>, na Universidade da Calif\u00f3rnia, em Santa B\u00e1rbara (EUA). No artigo publicado<\/a> 17 de mar\u00e7o no site da revista Nature, o grupo explicou como resfriou a pe\u00e7a de metal at\u00e9 quase zero absoluto, deixando o mecanismo em seu estado de movimento m\u00ednimo poss\u00edvel, seu “estado qu\u00e2ntico fundamental”. Mais parado que isso o mecanismo n\u00e3o pode ficar.<\/p>\n

Podiam cantar vit\u00f3ria s\u00f3 com esse feito, mas seguiram em frente. Depois de colocar o oscilador em seu estado fundamental, transmitiram \u00e0 pe\u00e7a a menor quantidade de energia poss\u00edvel que ela \u00e9 capaz de absorver, um “quantum de vibra\u00e7\u00e3o”.<\/p>\n

Durante esse experimento, os pesquisadores obtiveram evid\u00eancias indiretas de que, por alguns instantes, o mecanismo fez algo que apenas feixes de luz, \u00e1tomos e mol\u00e9culas individuais fazem normalmente. Algo que por muito tempo se pensava que apenas esses entes t\u00e3o min\u00fasculos seriam capazes de fazer.<\/p>\n

Mundo Qu\u00e2ntico X Mundo Cl\u00e1ssico<\/b><\/p>\n

Desde o in\u00edcio do s\u00e9culo XX, os f\u00edsicos descobriram que as leis da f\u00edsica do dia-a-dia, a f\u00edsica cl\u00e1ssica–cujas f\u00f3rmulas aproximadas precisamos decorar para passar no vestibular e que \u00e9 quase tudo o que os engenheiros precisam saber para construirem pontes e usinas hidrel\u00e9tricas–funcionam mal e mal no mundo molecular, at\u00f4mico e subat\u00f4mico.<\/p>\n

El\u00e9trons orbitando o n\u00facleo dos \u00e1tomos, as part\u00edculas de luz que eles emitem e absorvem, tudo isso e muito mais \u00e9 explicado apenas por outro conjunto de leis, as da mec\u00e2nica qu\u00e2ntica.<\/p>\n

A teoria tem esse nome porque, ao contr\u00e1rio da f\u00edsica cl\u00e1ssica, onde os objetos podem trocar energia de maneira cont\u00ednua, a energia na mec\u00e2nica qu\u00e2ntica \u00e9 trocada na forma de m\u00faltiplos de uma por\u00e7\u00e3o m\u00ednima, os chamados quantum de energia (o plural \u00e9 quanta). A quantidade de energia de um quantum varia de caso para caso.<\/p>\n

As diferen\u00e7as entre a mec\u00e2ncia qu\u00e2ntica e a f\u00edsica cl\u00e1ssica n\u00e3o param nos quanta. El\u00e9trons, por exemplo, podem agir “como se estivessem em dois lugares ao mesmo tempo”. O que quero dizer com a frase anterior entre aspas fica bem claro com o famoso exemplo em que se faz um<\/i> el\u00e9tron passar por duas<\/i> fendas em uma parede. Tentei achar um link para algum texto que descrevesse esse exemplo, mas n\u00e3o achei nada que preste. Prometo mais para frente escrever sobre isso com mais detalhe. Por ora, basta dizer que quando se faz esse experimento em certas circunst\u00e2ncias, os resultados sugerem que o el\u00e9tron percorreu dois caminhos diferentes simult\u00e2neamente.<\/p>\n

At\u00e9 d\u00e1 para dormir sossegado aceitando que el\u00e9trons existem em estados al\u00e9m da nossa imagina\u00e7\u00e3o. Mas objetos maiores, feitos de muitos \u00e1tomos? O f\u00edsico Erwin Schr\u00f6dinger imaginou em 1935 um gato preso dentro de uma caixa onde um dispositivo lan\u00e7a veneno no ar quando um n\u00facleo at\u00f4mico emite radia\u00e7\u00e3o. Acontence que, at\u00e9 o momento em que algu\u00e9m abra a caixa, o n\u00facleo pode estar em um desses estados insanos em que ele emite e n\u00e3o emite a radia\u00e7\u00e3o, o que faz com que o lan\u00e7ador de veneno tenha sido acionado e n\u00e3o acionado, e o gato esteje morto e vivo ao mesmo tempo.<\/p>\n

Isso seria mesmo poss\u00edvel? Um objeto “cl\u00e1ssico” poderia se comportar quanticamente? Onde fica a linha que separa o mundo qu\u00e2ntico do cl\u00e1ssico? Essa linha existe? Ser\u00e1 que a mec\u00e2nica qu\u00e2ntica precisa ser corrigida? S\u00e3o essas quest\u00f5es que motivam experimentos com objetos em princ\u00edpio”cl\u00e1ssicos”, feitos de bilh\u00f5es ou trilh\u00f5es de \u00e1tomos, mas pequenos o suficiente para que seja poss\u00edvel vislumbrar efeitos qu\u00e2nticos neles.<\/p>\n

Esses experimentos j\u00e1 obtiveram resultados muito interesssantes. Em 2000, f\u00edsicos observaram a corrente el\u00e9trica em um anel supercondutor girar em dois sentidos ao mesmo tempo<\/a>. Ano passado, outro grupo de pesquisadores emaranhou o estado de dois qubits superconduntores<\/a> vis\u00edveis a olho nu.<\/p>\n

At\u00e9 agora, por\u00e9m,ningu\u00e9m havia posto um objeto macrosc\u00f3pico para se mexer qu\u00e2nticamente. Desde os anos 1990, grupos de pesquisadores investigam como fazer isso, construindo aparelhos mec\u00e2nicos min\u00fasculos e tentando faz\u00ea-los vibrar como um “oscilador harm\u00f4nico qu\u00e2ntico<\/a>“. Foi exatamente o que o pessoal do laborat\u00f3rio de Cleland conseguiu fazer.<\/p>\n

Como fizeram<\/b><\/p>\n

Em um coment\u00e1rio<\/a> que acompanhou a publica\u00e7\u00e3o do artigo na Nature, o f\u00edsico Markus Aspelmeyer notou que a constru\u00e7\u00e3o do vibrador qu\u00e2ntico macrosc\u00f3pico venceu dois desafios. O primeiro desafio foi resfri\u00e1-lo at\u00e9 uma temperatura bem pr\u00f3xima de zero Kelvin (-273 o<\/sup>C), o chamado “zero absoluto”.<\/p>\n

Um oscilador harm\u00f4nico cl\u00e1ssico vibra com qualquer energia. J\u00e1 a sua vers\u00e3o qu\u00e2ntica, oscila apenas quando absorve dos \u00e1tomos do ambiente a sua volta pacotes discretos de energia chamados de “quanta de vibra\u00e7\u00e3o” ou de f\u00f4nons. O oscilador s\u00f3 absorve f\u00f4nons de um determinado valor de energia. Quanto maior a temperatura, mais f\u00f4nons com a energia certa h\u00e1 no ambiente para o oscilador absorver. Se a temperatura do ambiente for baixa o suficiente, o oscilador n\u00e3o ter\u00e1 f\u00f4nons para absorver e estar\u00e1 em seu estado de energia m\u00ednima, o “estado fundamental”.<\/p>\n

O valor do f\u00f4non que excita o vibrador depende da frequ\u00eancia de oscila\u00e7\u00e3o dele. Quanto maior a frequ\u00eancia, maior a energia de cada f\u00f4non e, portanto, maior o valor da temperatura em que o oscilador fica em seu estado fundamental.<\/p>\n

Quanto menor o tamanho do oscilador, maior sua frequ\u00eancia. Assim, para coloc\u00e1-los no estado fundamental, a estrat\u00e9gia dos experimentalistas tem sido resfriar e miniaturizar cada vez mais seus osciladores.<\/p>\n

Nos experimentos mais recentes, foram construidos osciladores de frequ\u00eancias na faixa dos megahertz (milh\u00f5es de oscila\u00e7\u00f5es por segundo), exigindo temperaturas da ordem de bilion\u00e9simos de Kelvins. Temperaturas t\u00e3o extremamente pr\u00f3ximas do zero absoluto foram obtidas s\u00f3 recentemente e h\u00e1 muito custo, com t\u00e9cnicas de refrigera\u00e7\u00e3o de \u00faltima gera\u00e7\u00e3o. Os pesquisadores chegaram tantalizadoramente perto do estado qu\u00e2ntico fundamental desses osciladores, registrando n\u00fameros m\u00e9dios de at\u00e9 4 f\u00f4nons, mas n\u00e3o conseguiram ir al\u00e9m disso<\/p>\n

Em vez de seguir com a boiada, resfriando e miniaturizando cada vez mais, o pessoal do laborat\u00f3rio de Cleland teve um ideia genial. Eles aumentaram em mil vezes a frequ\u00eancia do microvibrador deles simplesmente mudando o seu design.<\/p>\n

Os osciladores usados geralmente pelos grupos de pesquisa s\u00e3o baseados no deslocamento do centro de massa do objeto, como a vibra\u00e7\u00e3o de uma prancha de megulho.<\/p>\n

J\u00e1 o oscilador do grupo de Cleland dilata e contrai sua espessura, chegando a uma frequ\u00eancia na faixa dos 6 gigahertz. Com essa frequ\u00eancia eles conseguiram chegar no estado fundamental a meros 25 milikelvins, o que pode ser obtido por meio de um sistema de refrigera\u00e7\u00e3o mais “convencional”.<\/p>\n

Ali\u00e1s, curiosamente, o design do novo oscilador foi inspirado em um modelo desenvolvido pela empresa Agilent para ser usado como filtro prim\u00e1rio para telefones celulares.<\/p>\n

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\n\"OsciladorQuantico2.jpg\"\n<\/div>\n

Esquema do oscilador feito de matreial piezoel\u00e9trico, que transforma movimento mec\u00e2nico em um sinal el\u00e9trico e vice versa. O mecanismo oscila dilatando e constraindo sua espessura.<\/span><\/font><\/p>\n

O segundo desafio da equipe de Cleland foi medir os fen\u00f4menos qu\u00e2nticos acontecendo em seu oscilador com um instrumento delicado o suficiente. Esse instrumento foi “um qubit supercondutor”, que serviu como uma esp\u00e9cie de term\u00f4metro qu\u00e2ntico. O sistema \u00e9 complicado de explicar, daria um post s\u00f3 sobre ele. Mas resumindo, o tal qubit supercondutor pode ter apenas dois n\u00edveis de energia, o n\u00edvel excitado e o n\u00edvel fundamental.<\/p>\n

Na figura abaixo, d\u00e1 para ver o qubit supercondutor acoplado com o oscilador:<\/p>\n

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\n\"OsciladorQuantico3.jpg\"\n<\/div>\n

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Primeiro, os pesquisadores preparavam o qubit em seu n\u00edvel fundamental. Em seguida, acionavam a liga\u00e7\u00e3o do qubit com o vibrador por um microsegundo e voltavam a deslig\u00e1-la. Logo em seguida mediam o qubit para verificar se a energia de algum f\u00f4non vindo do oscilador havia sido transferida para o qubit. Fizeram essa medida v\u00e1rias vezes, variando a diferen\u00e7a de energia entre os n\u00edveis do qubit, e o resultado foi nulo. Mostraram assim que o vibrador estava em seu estado de energia m\u00ednima com um probalibidade maior que 93%.<\/p>\n

Uma vez que tinham certeza de que o oscilador estava em seu estado fundamental, os pesquisadores resolveram demonstrar a transfer\u00eancia de um quantum de energia do qubit para o oscilador. Fizeram isso primeiro preparando o qubit em seu estado excitado. Em seguida acionaram a intera\u00e7\u00e3o entre o qubit e o oscilador. Repetiram o procedimento v\u00e1rias vezes, variando o tempo em que a intera\u00e7\u00e3o entre qubit e oscilador permanecia ligada. Um dos resultados foi o gr\u00e1fico abaixo:<\/p>\n

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\n\"OsciladorQuantico4.jpg\"\n<\/div>\n

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Gr\u00e1fico da probabilidade do qubit estar no estado excitado ao longo do tempo (em nanosegundos)<\/span><\/font><\/p>\n

Essa oscila\u00e7\u00e3o \u00e9 sinal de que um \u00fanico quantum de energia ia e vinha entre o qubit e o vibrador. No m\u00e1ximos da curva o quantum est\u00e1 no qubit e nos m\u00ednimos, no vibrador. Nos demais pontos, o qubit e o vibrador est\u00e3o em um estado que s\u00f3 existe na mec\u00e2nica qu\u00e2ntica, um “estado emaranhado”. \u00c9 como se o conjunto estivesse em uma combina\u00e7\u00e3o de estado “qubit no estado fundamental e vibrador excitado” e “qubit excitado e vibrador no estado fundamental”. Em outras palavras, \u00e9 como se o oscilador estivesse em dois estados de movimento ao mesmo tempo.<\/p>\n

Ano passado um grupo de pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Calif\u00f3rnia (Caltech) fez exatamente o contr\u00e1rio, medindo o estado do qubit com um vibrador cl\u00e1ssico acoplado. O resultado foi celebrado<\/a> na \u00e9poca, pois a esperan\u00e7a do grupo era de reverter o processo e usar o qubit para observar o oscilador antes cl\u00e1ssico se comportar quanticamente. Mas, seus concorrentes conterr\u00e2neos de Santa B\u00e1rbara chegaram na frente…<\/p>\n

As figuras todas foram extra\u00eddas do artigo cient\u00edfico original:<\/p>\n

O’Connell, A., Hofheinz, M., Ansmann, M., Bialczak, R., Lenander, M., Lucero, E., Neeley, M., Sank, D., Wang, H., Weides, M., Wenner, J., Martinis, J., & Cleland, A. (2010). Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator Nature, 464<\/em> (7289), 697-703 DOI: 10.1038\/nature08967<\/a><\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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