Os físicos demonstraram que mesmo pequenos pedaços de metal podem comportar-se de acordo com as estranhas regras da mecânica quântica, existentes em estados que se propagam em vários lugares ao mesmo tempo. Em um novo estudo publicado em Naturezapesquisadores da Universidade de Viena e da Universidade de 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 fortes da mecânica quântica em escalas que se aproximam do mundo macroscópico.
Comportamento quântico por trás de pequenas partículas
A física quântica descreve um mundo onde a matéria pode se comportar tanto como partícula quanto como onda. Os cientistas confirmaram repetidamente este comportamento incomum de 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 obedecer às leis previsíveis da física clássica, permanecendo em um lugar e movendo-se ao longo de caminhos definidos.
Um grupo de pesquisa sediado em Viena, liderado por Markus Arndt e Stefan Gerlich, estendeu agora pela primeira vez esses efeitos quânticos a nanopartículas metálicas muito maiores. Os aglomerados de sódio usados no experimento tinham cerca de 8 nanômetros de diâmetro, semelhante em escala aos componentes modernos de transistores. Cada aglomerado também tinha uma massa superior a 170.000 unidades de massa atômica, tornando-os mais pesados que a maioria das proteínas.
Mesmo nesta escala, as partículas ainda criavam interferência quântica mensurável.
“Intuitivamente, seria de esperar que um pedaço de metal tão grande se comportasse como uma partícula clássica”, diz o autor principal e estudante de doutorado, Sebastian Pedalino. “O fato de ainda interferir mostra que a mecânica quântica funciona mesmo nesta escala e não requer modelos alternativos”.
Criando um “caroço de metal Schrödinger”
Para conduzir o experimento, os pesquisadores criaram aglomerados de sódio ultrafrios contendo de 5.000 a 10.000 átomos. As partículas então passaram por três redes de difração criadas por raios laser ultravioleta.
O primeiro feixe de laser fixou a posição de cada aglomerado com uma precisão de cerca de 10 nm e colocou as partículas em uma superposição quântica, o que significa que elas poderiam percorrer vários caminhos através do aparelho ao mesmo tempo. À medida que esses caminhos possíveis se sobrepunham mais tarde no experimento, eles produziram um padrão de interferência listrado pronunciado que era consistente com as previsões da teoria quântica.
Os resultados mostram que as partículas não ocuparam uma posição fixa durante o voo. Em vez disso, o seu estado quântico estende-se por uma área dezenas de vezes maior que as próprias partículas.
Os físicos descrevem essas condições como estados do gato de Schrödinger, referindo-se ao famoso experimento mental do físico austríaco Erwin Schrödinger envolvendo um gato que está vivo e morto enquanto não está sendo observado. Neste caso, os investigadores descrevem os aglomerados metálicos como estando “aqui e não aqui” ao mesmo tempo.
Um teste recorde de mecânica quântica
A base teórica para este tipo de interferometria de campo próximo foi desenvolvida nas últimas duas décadas por Klaus Hornberger (Universidade de Duisburg Essen), que também é coautor do novo estudo. Hornberger e Stefan Nimrichter (então da Universidade de Viena) já haviam introduzido 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 com sistemas como nanoosciladores, interferômetros atômicos e ressonadores nanoacústicos, medindo a eficácia com que eles descartam até mesmo pequenos desvios da teoria quântica padrão.
No novo experimento, a equipe alcançou um valor macroscópico de μ = 15,5. Segundo os pesquisadores, isso é uma ordem de magnitude maior do que experimentos anteriores em todo o mundo.
Para atingir o mesmo nível de precisão dos testes com electrões, os cientistas precisariam de armazenar superposições quânticas de electrões durante quase 100 milhões de anos. As nanopartículas metálicas em Viena atingiram esta referência em apenas um centésimo de segundo.
Aplicações futuras e grandes experimentos quânticos
Além de testar os fundamentos da física, o trabalho poderá 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 ainda maiores e materiais adicionais em estudos futuros, potencialmente levando esses testes adiante em várias ordens de magnitude. Espera-se que uma infraestrutura experimental melhorada e equipamentos atualizados tornem possíveis medições ainda mais sensíveis.
O interferômetro de Viena também funciona como um sensor de força extremamente preciso, capaz de detectar forças de 10 a 26 N. Os pesquisadores afirmam que versões futuras poderão se tornar ainda mais sensíveis, abrindo a possibilidade de medições de alta precisão das propriedades elétricas, magnéticas e ópticas de nanopartículas isoladas. Essas capacidades poderiam eventualmente 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. As descobertas foram publicadas em Natureza.
A experiência foi substancialmente financiada por:
- Subsídio da Fundação Gordon e Betty Moore GMBF10771
- Fundação para a Promoção da Pesquisa Científica, FWF, MUSCLE #32542-N
