Aproximando-se da medição da gravidade quântica – Physics World

Aproximando-se da medição da gravidade quântica – Physics World

Carimbo de data / hora: 9 de abril de 2024 4h30


Impressão artística do experimento, que se assemelha a uma bola roxa brilhante irradiando pontas roxas como se estivesse em movimento
Impressão artística do experimento quântico. (Cortesia: Universidade de Southampton)

A primeira técnica capaz de medir a força da gravidade sobre uma partícula com apenas mícrons de diâmetro poderia ajudar na busca por uma teoria quântica da gravidade – um objetivo de longa data na física. O novo experimento usa um dispositivo supercondutor de interferência quântica (SQUID) para detectar a força na partícula em temperaturas ultrabaixas e suprimir vibrações que possam interferir no movimento devido à gravidade.

A gravidade difere das outras forças fundamentais porque descreve uma curvatura no espaço-tempo, em vez de interações diretas entre objetos. Esta diferença explica, em parte, porque é que os físicos teóricos têm lutado durante muito tempo para conciliar a gravidade (conforme descrita pela teoria geral da relatividade de Einstein) com a mecânica quântica. Um dos principais pontos de discórdia é que enquanto o último assume que o espaço-tempo é fixo, o primeiro afirma que muda na presença de objetos massivos. Como os experimentos para determinar qual descrição é correta são extremamente difíceis de realizar, uma teoria da gravidade quântica permanece fora de alcance, apesar de muito esforço teórico em áreas como a teoria das cordas e a gravidade quântica em loop.

Expulsão de campo do estado de Meissner

No novo trabalho, relatado em Avanços da ciência, físico Tjerk Oosterkamp of Universidade de Leiden na Holanda, juntamente com colegas da Universidade de Southampton, Reino Unido e Itália Instituto de Fotônica e Nanotecnologias, investigou a fronteira entre a gravidade e a mecânica quântica estudando a atração da gravidade em uma partícula magnética com massa de apenas 0.43 miligramas – perto do limite onde os efeitos quânticos começam a aparecer. Para realizar o estudo, eles prenderam a partícula em um campo magnético gerado pela passagem de corrente através de fios que se tornam supercondutores em temperaturas abaixo de 100 milikelvin. A “paisagem” do campo magnético resultante faz com que a partícula levite graças a um conhecido efeito supercondutor conhecido como expulsão de campo do estado de Meissner, no qual o campo resultante das correntes no supercondutor se opõe completamente ao próprio campo magnético da partícula.

Depois que a partícula estava levitando, os pesquisadores mediram mudanças muito pequenas no campo magnético que surgem quando ela se move em torno do seu centro de massa. Eles fizeram isso usando um magnetômetro DC SQUID integrado enquanto ajustavam continuamente a frequência do potencial de aprisionamento magnético. Isso lhes permitiu caracterizar a amplitude do movimento da partícula em função dessas mudanças de frequência.

Suprimindo vibrações

Os pesquisadores então criaram uma perturbação gravitacional girando uma roda pesada do lado de fora da geladeira, ou criostato, que continha o experimento. A frequência de rotação da roda foi ajustada para excitar uma das frequências de vibração da partícula levitada. Mas antes de poderem medir as mudanças no movimento da partícula devido a esta perturbação gravitacional, Oosterkamp e colegas tiveram primeiro que se certificar de que outras coisas que poderiam colocar a partícula em movimento – como vibrações provenientes do compressor e das bombas responsáveis ​​pelo arrefecimento do supercondutor – estavam presentes. muito bem reprimido.

“Esse acabou sendo o desafio mais urgente em nosso experimento”, explica Oosterkamp, ​​“mas uma vez que conseguimos fazer isso, o movimento da partícula que restou revelou-se tão pequeno que foi perturbado pela gravidade – e nós poderia realmente medir isso.

Empurrando os limites

Oosterkamp e colegas pretendiam originalmente usar seu criostato para resfriar e excitar um ressonador mecânico. “Estávamos fazendo isso para tentar provar que ele poderia estar em dois lugares simultaneamente – da mesma forma que um elétron pode estar quando mostra efeitos de interferência passando por duas fendas”, explica Oosterkamp. “Da interferência infere-se que o elétron é uma onda e passa pelas duas fendas ao mesmo tempo. Para o nosso experimento, que ainda tem um longo caminho a percorrer, temos trabalhado no isolamento de vibrações para resfriar um sensor de força e observar o mesmo tipo de efeito para um minúsculo ressonador mecânico.”

Estas experiências iniciais correram tão bem, lembra ele, que eles se perguntaram: qual é a menor força que poderiam exercer sobre a partícula na sua configuração para demonstrar a sensibilidade da experiência? “Quando percebemos que as medições da gravidade estavam ao nosso alcance, ficamos especialmente motivados”, lembra Oosterkamp.

A experiência precisa ser ainda mais sensível

O próximo passo, diz Oosterkamp, ​​é aproximar ainda mais os efeitos gravitacionais e quânticos. “Ser capaz de medir a força gravitacional de uma partícula que está em dois lugares ao mesmo tempo seria muito desejável, mas precisamos tornar nosso experimento ainda mais sensível para fazer isso e fazer medições em objetos mais pesados ​​que mostram efeitos quânticos – como superposição e emaranhamento, por exemplo”, diz ele.

Para tanto, os pesquisadores estão trabalhando para substituir a roda fora do criostato por uma roda ou hélice semelhante dentro dele. “Em vez de uma roda com blocos do tamanho de um quilograma colocados a 30 cm de distância do sensor, esperamos produzir massas em miligramas em uma hélice que está a apenas um centímetro de distância”, diz Oosterkamp.

A equipe também está tentando isolar ainda mais as vibrações externas em seu experimento e tornar o sistema mais frio. “Essas medidas poderiam melhorar a sensibilidade das medições em 100 vezes”, diz Oosterkamp.

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