Pesquisadores da Universidade de Bonn criaram um gás departículas leves que podem ser extremamente comprimidas. Seus resultados confirmam as previsaµes das teorias centrais da física qua¢ntica. As descobertas também podem apontar o caminho para novos tipos de sensores que podem medir forças diminutas. O estudo foi publicado na revista Science .

Se vocêconectar a saa­da de uma bomba de ar com o dedo, ainda podera¡ empurrar o pistão para baixo. O motivo: os gases são bastante fa¡ceis de comprimir osao contra¡rio dos la­quidos, por exemplo. Se a bomba contivesse águaem vez de ar, seria praticamente impossí­vel mover o pistão, mesmo com o maior esfora§o.

Os gases geralmente consistem em a¡tomos ou moléculas que giram mais ou menos rapidamente pelo Espaço. a‰ bastante semelhante com a luz: seus menores blocos de construção são fa³tons , que em alguns aspectos se comportam como partículas E esses fa³tons também podem ser tratados como um gás, no entanto, um que se comporta de maneira um tanto incomum: vocêpode comprimi-lo sob certas condições quase sem esfora§o. Pelo menos éo que a teoria prevaª.

Pesquisadores do Instituto de Fa­sica Aplicada (IAP) da Universidade de Bonn agora demonstraram esse efeito em experimentos pela primeira vez. "Para fazer isso, armazenamospartículas de luz em uma pequena caixa feita de espelhos", explica o Dr. Julian Schmitt do IAP, que éum dos principais pesquisadores do grupo do Prof. Dr. Martin Weitz. "Quanto mais fa³tons colocamos la¡, mais denso o gás de fa³tons se torna."

A regra geralmente éa seguinte: quanto mais denso um gás, mais difa­cil écomprimir. Este também éo caso da bomba de ar obstrua­da - no ina­cio, o pistão pode ser empurrado para baixo com muita facilidade, mas em algum momento dificilmente pode ser movido mais, mesmo quando se aplica muita força. Os experimentos de Bonn foram inicialmente semelhantes: quanto mais fa³tons eles colocavam na caixa do espelho, mais difa­cil se tornava comprimir o gás.

No entanto, o comportamento mudou abruptamente em um certo ponto: assim que o gás fa³ton excedeu uma densidade especa­fica, ele pode ser comprimido de repente com quase nenhuma resistência. "Esse efeito resulta das regras da meca¢nica qua¢ntica", explica Schmitt, que também émembro associado do Cluster de Excelaªncia "Matanãria e Luz para Computação Qua¢ntica" e lider do projeto no Transregio Collaborative Research Center 185. O motivo: A luz aspartículas exibem uma "indefinição" - em termos simples, sua localização éum pouco confusa. Amedida que se aproximam muito em altas densidades, os fa³tons comea§am a se sobrepor. Os fa­sicos também falam de uma "degeneração qua¢ntica" do gás. E torna-se muito mais fa¡cil comprimir um gás tão degenerado qua¢ntico.

Se a sobreposição for forte o suficiente, aspartículas de luz se fundem para formar uma espanãcie de superfa³ton , um condensado de Bose-Einstein. Em termos muito simplificados, esse processo pode ser comparado ao congelamento da a¡gua: no estado la­quido, as moléculas de águaestãodesordenadas; então, no ponto de congelamento , os primeiros cristais de gelo se formam, que eventualmente se fundem em uma camada de gelo estendida e altamente ordenada. "Ilhas de ordem" também são formadas pouco antes da formação do condensado de Bose-Einstein, e se tornam cada vez maiores com a adição de fa³tons.

O condensado éformado apenas quando essas ilhas crescem tanto que a ordem se estende por toda a caixa de espelhos que contanãm os fa³tons. Isso pode ser comparado a um lago no qual blocos de gelo independentes finalmente se juntaram para formar umasuperfÍcie uniforme. Naturalmente, isso requer um número muito maior departículas de luz em uma caixa estendida em comparação com uma pequena. "Conseguimos demonstrar essa relação em nossos experimentos", ressalta Schmitt.

Para criar um gás com número departículas varia¡vel e temperatura bem definida, os pesquisadores usam um “banho de calor”: “Inserimos moléculas na caixa do espelho que podem absorver os fa³tons”, explica Schmitt. "Subsequentemente, eles emitem novos fa³tons que, em média, possuem a temperatura das moléculas - no nosso caso, pouco menos de 300 Kelvin, que éaproximadamente a temperatura ambiente ."

Os pesquisadores também tiveram que superar outro obsta¡culo: gases de fa³tons geralmente não são uniformemente densos osha¡ muito maispartículas em alguns lugares do que em outros. Isso se deve ao formato da armadilha em que eles geralmente estãocontidos. "Na³s adotamos uma abordagem diferente em nossos experimentos", diz Erik Busley, primeiro autor da publicação. "Na³s capturamos os fa³tons em uma caixa de espelho de fundo plano que criamos usando um manãtodo de microestruturação. Isso nos permitiu criar um gás qua¢ntico homogaªneo de fa³tons pela primeira vez."

No futuro, a compressibilidade qua¢ntica aprimorada do gás permitira¡ a pesquisa de novos sensores que podem medir forças minaºsculas. Além das perspectivas tecnologiicas, os resultados também são de grande interesse para a pesquisa fundamental.