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segunda-feira, 7 de novembro de 2011

Nova técnica de resfriamento atinge energia do ponto zero

A radiação é disparada na frequência "errada" da ressonância. Ela se ajusta no interior da cavidade e sai na frequência "correta", levando consigo energia do movimento do nanotambor, o que resulta em seu resfriamento.[Imagem: Teufel/NIST]

Circuitos quânticos mecânicos
Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia  (NIST), dos Estados Unidos, desenvolveram uma nova técnica, flexível e amplamente utilizável, para acalmar as vibrações de um objeto mecânico até trazê-lo ao seu estado fundamental de energia.
O estado fundamental de energia é o nível de energia mais baixo possível.
O feito cria uma nova ferramenta para o desenvolvimento de circuitos quânticos feitos de peças mecânicas.
Esta é segunda vez que os cientistas conseguem atingir essa energia do ponto zero (ground state).

A primeira vez foi em 2010, quando os pesquisadores finalmente demonstraram que o mundo quântico se relaciona com o mundo macroscópico, usando um sistema tradicional de refrigeração.
A grande novidade agora é a técnica de refrigeração, muito simples e barata.

Vibra sem se mexer
Os cientistas criaram um nanotambor feito de alumínio, com 100 nanômetros de espessura e 15 micrômetros de diâmetro - a peça inteira tem cerca de um trilhão de átomos, o que o coloca no reino da mecânica quântica.

A seguir, eles aplicaram sua nova técnica de resfriamento, usando radiação eletromagnética na faixa das micro-ondas, para fazer o nanotambor ficar absolutamente parado, sem qualquer movimento.
Como uma corda de guitarra toca o mesmo tom enquanto o som se dissipa, o nanotambor continua a bater 11 milhões de vezes por segundo, mas sua amplitude de movimento se aproxima de zero - tão estranho quanto qualquer outra coisa na mecânica quântica.

A nova técnica de resfriamento e o próprio dispositivo mecânico, juntos, prometem novas máquinas de computação quântica e novos testes da teoria quântica, podendo ainda ajudar a avançar o campo emergente da acústica quântica, que busca explorar a natureza quântica das vibrações mecânicas.

Resfriamento com micro-ondas
Os cientistas usaram a pressão da radiação de micro-ondas para acalmar o movimento do nanotambor.
O circuito foi projetado de modo que o movimento do nanotambor pode influenciar as micro-ondas dentro de uma cavidade eletromagnética.
O método de resfriamento tira proveito da tendência da radiação de micro-ondas para mudar de frequência, se necessário, para corresponder à frequência, ou tom, de ressonância da cavidade.
A radiação é disparada na frequência "errada" da ressonância. Ela se ajusta no interior da cavidade e sai na frequência "correta", levando consigo energia do movimento do nanotambor, o que resulta em seu resfriamento.

Primeiro, o nanotambor é posto em um refrigerador criogênico, usando hélio líquido, o que diminui sua energia para cerca de 30 quanta.
Em seguida, a refrigeração por micro-ondas reduz a temperatura do cilindro de 20 miliKelvin (milésimos de grau acima do zero absoluto) para abaixo de 400 microKelvin (milionésimos de grau acima do zero absoluto), efetivamente reduzindo a energia do nanotambor para apenas um terço de um quantum.

Bibliografia:
Sideband cooling of micromechanical motion to the quantum ground state
J. D. Teufel, T. Donner, Dale Li, J. W. Harlow, M. S. Allman, K. Cicak, A. J. Sirois, J. D. Whittaker, K. W. Lehnert, R. W. Simmonds
Nature
06 July 2011
Vol.: 475, Pages: 359-363
DOI: 10.1038/nature10261


Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/07/2011


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