Rudolf Cole
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O mundo quântico é bastante selvagem, onde o aparentemente impossível acontece o tempo todo: objetos Teensy separados por quilômetros estão ligados uns aos outros, e as partículas podem até estar em dois lugares ao mesmo tempo. Mas uma das superpotências quânticas mais desconcertantes é o movimento das partículas através de barreiras aparentemente impenetráveis.
Agora, uma equipe de físicos desenvolveu uma maneira simples de medir a duração desse fenômeno bizarro, chamado tunelamento quântico. E eles descobriram quanto tempo leva o túnel do início ao fim - a partir do momento em que uma partícula entra na barreira, faz um túnel e sai do outro lado, eles relataram on-line em 22 de julho na revista Nature.
O tunelamento quântico é um fenômeno onde um átomo ou uma partícula subatômica pode aparecer no lado oposto de uma barreira que deveria ser impossível para a partícula penetrar. É como se você estivesse caminhando e encontrasse uma parede de 3 metros de altura que se estende até onde a vista alcança. Sem uma escada ou habilidades de escalada do Homem-Aranha, a parede tornaria impossível para você continuar.
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No entanto, no mundo quântico, é raro, mas possível, que um átomo ou elétron simplesmente "apareça" do outro lado, como se um túnel tivesse sido cavado na parede. "O tunelamento quântico é um dos fenômenos quânticos mais intrigantes", disse o coautor do estudo Aephraim Steinberg, codiretor do Programa de Ciência da Informação Quântica do Instituto Canadense de Pesquisa Avançada. "E é fantástico que agora possamos realmente estudá-lo dessa maneira."
O tunelamento quântico não é novo para os físicos. Ele forma a base de muitas tecnologias modernas, como chips eletrônicos, chamados de diodos de túnel, que permitem o movimento da eletricidade através de um circuito em uma direção, mas não na outra. Os microscópios de varredura por tunelamento (STM) também usam o tunelamento para mostrar literalmente átomos individuais na superfície de um sólido. Pouco depois que o primeiro STM foi inventado, pesquisadores da IBM relataram o uso do dispositivo para soletrar as letras IBM usando 35 átomos de xenônio em um substrato de níquel.
Embora as leis da mecânica quântica permitam o tunelamento quântico, os pesquisadores ainda não sabem exatamente o que acontece enquanto uma partícula subatômica está passando pelo processo de tunelamento. Na verdade, alguns pesquisadores pensaram que a partícula aparece instantaneamente do outro lado da barreira, como se tivesse teletransportado instantaneamente para lá, relatou Sci-News.com.
Os pesquisadores já haviam tentado medir a quantidade de tempo que leva para ocorrer o tunelamento, com resultados variados. Uma das dificuldades nas versões anteriores desse tipo de experimento é identificar o momento em que o tunelamento começa e para. Para simplificar a metodologia, os pesquisadores usaram ímãs para criar um novo tipo de "relógio" que funcionaria apenas enquanto a partícula estava fazendo um túnel.
Todas as partículas subatômicas têm propriedades magnéticas e quando os ímãs estão em um campo magnético externo, eles giram como um pião. A quantidade de rotação (também chamada de precessão) depende de quanto tempo a partícula fica banhada naquele campo magnético. Sabendo disso, o grupo de Toronto usou um campo magnético para formar sua barreira. Quando as partículas estão dentro da barreira, elas sofrem precessão. Fora disso, eles não fazem. Assim, medir quanto tempo as partículas precessam disse aos pesquisadores quanto tempo esses átomos levaram para criar um túnel através da barreira.
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"O experimento é uma conquista técnica de tirar o fôlego", disse Drew Alton, professor de física da Universidade Augustana, em Dakota do Sul.
Os pesquisadores prepararam aproximadamente 8.000 átomos de rubídio e os resfriaram a um bilionésimo de grau acima do zero absoluto. Os átomos precisavam estar nessa temperatura, caso contrário, eles teriam se movido aleatoriamente em altas velocidades, em vez de permanecerem em um pequeno aglomerado. Os cientistas usaram um laser para criar a barreira magnética; eles focalizaram o laser de forma que a barreira tivesse 1,3 micrômetros (mícrons) de espessura, ou a espessura de cerca de 2.500 átomos de rubídio. (Então, se você tivesse 30 centímetros de espessura, da frente para trás, essa barreira seria o equivalente a cerca de meia milha de espessura.) Usando outro laser, os cientistas empurraram os átomos de rubídio em direção à barreira, movendo-os cerca de 0,15 polegadas por segundo (4 milímetros / s).
Como esperado, a maioria dos átomos de rubídio ricocheteou na barreira. No entanto, devido ao tunelamento quântico, cerca de 3% dos átomos penetraram na barreira e apareceram no outro lado. Com base na precessão desses átomos, levaram cerca de 0,6 milissegundos para atravessar a barreira.
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Chad Orzel, um professor associado de física do Union College em Nova York, que não fez parte do estudo, aplaudiu o experimento, "O experimento foi engenhosamente construído para dificultar a interpretação como algo diferente do que eles dizem", disse Orzel , autor de "How to Teach Quantum Mechanics to Your Dog" (Scribner, 2010). "É um dos melhores exemplos que você verá de um experimento mental tornado real", acrescentou..
Os experimentos que exploram o tunelamento quântico são difíceis e mais pesquisas são necessárias para entender as implicações deste estudo. O grupo de Toronto já está considerando melhorias em seu aparelho não apenas para determinar a duração do processo de tunelamento, mas também para ver se eles podem aprender algo sobre a velocidade dos átomos em diferentes pontos dentro da barreira. "Estamos trabalhando em uma nova medição em que tornamos a barreira mais espessa e determinamos a quantidade de precessão em diferentes profundidades", disse Steinberg. "Será muito interessante ver se a velocidade dos átomos é constante ou não."
Em muitas interpretações da mecânica quântica, é impossível - mesmo em princípio - determinar a trajetória de uma partícula subatômica. Tal medição pode levar a insights sobre o mundo confuso da teoria quântica. O mundo quântico é muito diferente do mundo com o qual estamos familiarizados. Experimentos como esses ajudarão a torná-lo um pouco menos misterioso.
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