Físicos da Universidade de Bonn provaram experimentalmente que um importante teorema da física estatística se aplica aos chamados “condensados de Bose-Einstein”. Seus resultados agora permitem medir certas propriedades das “superpartículas” quânticas e deduzir características do sistema que, de outra forma, seriam difíceis de observar. O estudo já foi publicado na Cartas de revisão física.
Suponha que à sua frente haja um recipiente cheio de um líquido desconhecido. Seu objetivo é descobrir quanto as partículas nele (átomos ou moléculas) se movem para frente e para trás aleatoriamente devido à sua energia térmica. No entanto, você não tem um microscópio com o qual possa visualizar essas flutuações de posição conhecidas como “movimento browniano”.
Acontece que você não precisa disso: você também pode simplesmente amarrar um objeto a uma corda e puxá-lo através do líquido. Quanto mais força você aplicar, mais viscoso será o líquido. E quanto mais viscoso for, menos as partículas no líquido mudam de posição em média. A viscosidade a uma determinada temperatura pode, portanto, ser usada para prever a extensão das flutuações.
A lei física que descreve essa relação fundamental é o teorema da flutuação-dissipação. Em palavras simples, afirma: Quanto maior a força que você precisa aplicar para perturbar um sistema de fora, menos ele também flutuará aleatoriamente (ou seja, estatisticamente) por conta própria se você deixá-lo sozinho. “Agora confirmamos a validade do teorema para um grupo especial de sistemas quânticos pela primeira vez: os condensados de Bose-Einstein”, explica o Dr. Julian Schmitt, do Instituto de Física Aplicada da Universidade de Bonn.
“Super fótons” feitos de milhares de partículas de luz
Os condensados de Bose-Einstein são formas exóticas de matéria que podem surgir devido a um efeito da mecânica quântica: sob certas condições, as partículas, sejam elas átomos, moléculas ou mesmo fótons (partículas que constituem a luz), tornam-se indistinguíveis. Muitas centenas ou milhares deles se fundem em uma única “superpartícula” – o condensado de Bose-Einstein (BEC).
Em um líquido a temperatura finita, as moléculas se movem para frente e para trás aleatoriamente. Quanto mais quente o líquido, mais pronunciadas são essas flutuações térmicas. Os condensados de Bose-Einstein também podem flutuar: O número de partículas condensadas varia. E essa flutuação também aumenta com o aumento da temperatura. “Se o teorema da flutuação-dissipação se aplica aos BECs, quanto maior a flutuação em seu número de partículas, mais sensivelmente eles devem responder a uma perturbação externa”, enfatiza Schmitt. “Infelizmente, o número de flutuações nos BECs geralmente estudados em gases atômicos ultrafrios é muito pequeno para testar essa relação.”
No entanto, o grupo de pesquisa do Prof. Dr. Martin Weitz, dentro do qual Schmitt é um líder do grupo de pesquisa júnior, trabalha com condensados de Bose-Einstein feitos de fótons. E para este sistema, a limitação não se aplica. “Fazemos com que os fótons de nossos BECs interajam com moléculas de corante”, explica o físico, que recentemente ganhou um prêmio altamente prestigiado para jovens cientistas da União Europeia, conhecido como ERC Starting Grant. Quando os fótons interagem com moléculas de corante, freqüentemente acontece que uma molécula “engole” um fóton. O corante torna-se assim energicamente excitado. Mais tarde, ele pode liberar essa energia de excitação “cuspindo” um fóton.
Fótons de baixa energia são engolidos com menos frequência
“Devido ao contato com as moléculas do corante, o número de fótons em nossos BECs apresenta grandes flutuações estatísticas”, diz o físico. Ademais, os pesquisadores podem controlar com precisão a força dessa variação: no experimento, os fótons ficam presos entre dois espelhos, onde são refletidos para frente e para trás como um jogo de pingue-pongue. A distância entre os espelhos pode ser variada. Quanto maior ele se torna, menor a energia dos fótons. Como os fótons de baixa energia são menos propensos a excitar uma molécula de corante (portanto, são engolidos com menos frequência), o número de partículas de luz condensadas agora flutua muito menos.
Os físicos de Bonn agora investigaram como a extensão da flutuação está relacionada à “resposta” do BEC. Se o teorema da dissipação da flutuação for válido, essa sensibilidade deve diminuir à medida que a flutuação diminui. “Na verdade, conseguimos confirmar esse efeito em nossos experimentos”, enfatiza Schmitt, que também é membro da Área de Pesquisa Transdisciplinar (TRA) “Matéria” da Universidade de Bonn e do Cluster de Excelência “ML4Q — Matéria e Luz para Computação Quântica.” Assim como acontece com os líquidos, agora é possível inferir as propriedades microscópicas dos condensados de Bose-Einstein a partir de parâmetros de resposta macroscópicos que podem ser medidos com mais facilidade. “Isso abre caminho para novas aplicações, como a determinação precisa da temperatura em sistemas fotônicos complexos”, diz Schmitt.
Financiamento:
O projeto foi financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), como parte do projeto da UE “Photons for Quantum Simulation” e pelo Ministério Federal Alemão de Assuntos Econômicos e Ação Climática (BMWK).
Com informações de Science Daily.