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Interação de fótons com pares de átomos

25.08.2021

Cientistas da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL) forçaram pela primeira vez fótons a interagir com pares de átomos. Esse avanço é importante para o campo da eletrodinâmica quântica de ressonadores (QED), um campo avançado que sustenta as tecnologias quânticas.

A humanidade está caminhando para o uso generalizado de tecnologias baseadas na física quântica. Mas para conseguir isso, primeiro você precisa dominar como fazer a luz interagir com a matéria - ou, para ser mais preciso, fótons com átomos. Até certo ponto, o campo avançado da eletrodinâmica quântica de ressonadores (QED) é responsável por tais tecnologias. Agora já é usado em redes quânticas e processamento de informações quânticas. Mas ainda há um longo caminho a percorrer. As interações atuais de luz e matéria são limitadas a átomos únicos, o que limita a capacidade dos humanos de estudá-los na forma de sistemas complexos envolvidos em tecnologias quânticas.

No novo trabalho, os pesquisadores usaram um gás Fermi (ou gás ideal Fermi-Dirac). Trata-se de um gás constituído por partículas que satisfazem as estatísticas de Fermi-Dirac, ou seja, possuem uma pequena massa e uma alta concentração. Por exemplo, elétrons em um metal. “Na ausência de fótons, o gás pode ser obtido em um estado em que os átomos interagem entre si, formando pares fracamente ligados”, explica Jean-Philippe Brantou, da Escola de Ciências Básicas da EPFL. pares se transformam em moléculas quimicamente ligadas, sendo os fótons absorvidos".

O conceito-chave do novo efeito é que ele acontece "coerentemente". Isso significa que um fóton é absorvido para transformar alguns átomos em uma molécula, depois emitido de volta e assim por diante várias vezes. O sistema para-fótons forma um novo tipo de estado de partícula, que é chamado de par polariton-polariton. Isso foi possível graças a um sistema onde os fótons ficam presos em um lugar, onde eles têm que interagir fortemente com os átomos.

Os polaritons de pares híbridos adquirem algumas das propriedades dos fótons. Isso significa que eles podem ser medidos por métodos ópticos. Eles também assumem algumas das propriedades de um gás Fermi.

No futuro, a tecnologia será útil na química quântica: os cientistas demonstraram pela primeira vez como certas reações químicas podem ser produzidas de forma coerente usando fótons únicos.

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Os cientistas realizaram experimentos: eles colocaram um fio em uma caixa cúbica e a sacudiram a uma velocidade constante. O comprimento do fio e a velocidade de agitação mudavam periodicamente, repetindo a ação 3415 vezes. Descobriu-se que quanto mais longo o cabo e mais agitado, mais provável é que o nó se forme espontaneamente. Isso é chamado de "amarração espontânea da corda excitada".

O nó do fone de ouvido também é afetado pela rigidez e diâmetro do fio, mas o comprimento e o tempo são da maior importância. Por exemplo, se o cabo tiver menos de 46 cm, ele nunca ficará emaranhado. Para um fio de 46 a 150 cm, a probabilidade de formação aumenta muito. O comprimento médio dos fones de ouvido convencionais é de 139 cm, o que significa que a probabilidade de formação espontânea de nós é de quase 50%.

Note-se que a forma em Y dos fones de ouvido apenas agrava a situação e aumenta a probabilidade de emaranhamento. Para evitar que isso aconteça, os pesquisadores dão um conselho muito simples: use fones de ouvido em uma caixa especial.

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