Som de um átomo é gravado pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/09/2014

O átomo artificial gera ondas sonoras formadas por vibrações na superfície de um sólido (direita). Essa onda acústica superficial é recebida à esquerda por um "microfone" formado por hastes metálicas entrelaçadas. [Imagem: Philip Krantz/Krantz NanoArt]

Interação com átomos por som

Pesquisadores suecos conseguiram pela primeira vez estabelecer comunicação com um átomo artificial por meio de ondas sonoras.

Eles "falaram" com o átomo, enviando-lhe ondas sonoras, e "ouviram" sua resposta, igualmente em ondas de som.

Isto permite demonstrar e controlar fenômenos da física quântica com o som assumindo o papel até agora desempenhado pela luz, de forma semelhante ao feito recentemente com a criação de um laser de som.

"De acordo com a teoria, o som do átomo é dividido em partículas quânticas," explica Martin Gustafsson, principal autor do trabalho. "Essa partícula é o som mais fraco que pode ser detectado."

A interação entre os átomos e a luz é bem conhecida e tem sido extensivamente estudada no campo da fotônica e da computação quântica. Agora os cientistas querem fazer o mesmo com o som.

"Nós abrimos uma nova porta para o mundo quântico, conversando com os átomos e ouvindo-os," disse Per Delsing, da Universidade de Tecnologia Chalmers e membro da equipe. "Nosso objetivo a longo prazo é aproveitar a física quântica para que possamos nos beneficiar de suas leis, por exemplo, em computadores extremamente rápidos."

Som quântico

Como o som move-se muito mais lentamente do que a luz, o átomo acústico abre possibilidades completamente novas para controlar fenômenos quânticos.

"Devido à baixa velocidade do som, teremos tempo para controlar as partículas quânticas enquanto elas viajam", disse Gustafsson. "Isto é difícil de conseguir com a luz, que se desloca 100.000 vezes mais rapidamente."

• Luz e som são armazenados juntos no interior de um nanocristal

A baixa velocidade do som implica que ele tem um comprimento de onda mais curto do que o da luz. Um átomo que interage com as ondas de luz é sempre muito menor do que o comprimento de onda dessa luz.

Microfotografia do átomo artificial, que está integrado em um sensor supercondutor do tipo SQUID, que dá ao átomo suas propriedades quânticas. As hastes à esquerda fazem o acoplamento do átomo artificial com as ondas sonoras. [Imagem: Martin Gustafsson/Maria Ekstrom]

No entanto, em comparação com o comprimento de onda do som, o átomo artificial pode ser muito maior, o que significa que as suas propriedades podem ser melhor controladas. Por exemplo, pode-se projetar um átomo artificial para se acoplar apenas a determinadas frequências acústicas ou tornar a interação com o som extremamente forte.

A frequência utilizada no experimento foi de 4,8 gigahertz, perto das frequências de micro-ondas usadas nas redes sem fio - em termos musicais, isso fica cerca de 20 oitavas acima da nota mais alta de um piano.

Em frequências tão elevadas, o comprimento de onda do som se torna suficientemente curto para que possa ser guiado ao longo da superfície de um circuito integrado.

No mesmo chip, os pesquisadores colocaram um átomo artificial que mede 0,01 milímetro de comprimento e foi construído de um material supercondutor. O átomo recebe o som, é impactado por ele, eventualmente mudando seu comportamento e estado de energia, e responde de volta igualmente com som.

Átomo sonoro

Um átomo artificial é um aglomerado de átomos que se comporta como se fosse um só, o que os torna um dos tipos de qubits mais pesquisados pelacomputação quântica - existem também outros tipos de átomos artificiais, feitos de metamateriais.

Exatamente como os átomos individuais, o átomo artificial pode ser carregado eletricamente para emitir uma partícula, geralmente uma partícula de luz, ou fóton.

No experimento de ouvir o átomo, contudo, os pesquisadores projetaram-no para que ele fosse sensível às frequências sonoras - ondas de compressão - e respondesse igualmente emitindo "fótons" de energia de frequência mais baixa que a da luz.

Bibliografia:

Propagating phonons coupled to an artificial atom
Martin V. Gustafsson, Thomas Aref, Anton Frisk Kockum, Maria K. Ekstrom, Goran Johansson
Science
Vol.: Published Online
DOI: 10.1126/science.1257219

Designing frequency-dependent relaxation rates and Lamb shifts for a giant artificial atom
Anton Frisk Kockum, Per Delsing, Goran Johansson
Physical Review Letters
Vol.: 90, 013837
DOI: 10.1103/PhysRevA.90.013837

Fonte: Inovação Tecnológica