UM ROTOR DE UM MILIGRAMA, MANTIDO PARADO POR SER OBSERVADO

Nos últimos vinte anos, os físicos aprenderam a controlar objetos mecânicos perto de seus limites quânticos — de ressonadores em nanoescala que pesam femtogramas aos espelhos de vários quilos dos detectores de ondas gravitacionais. Mas quase todos são osciladores: algo, como uma mola, os puxa de volta para o centro. O sistema mais simples da mecânica quântica, a partícula livre, sem nada que a puxe de volta, resistiu a esse controle. Nas baixas frequências em que o movimento livre se desenrola, o atrito e o ruído do ambiente encobrem tudo.

No entanto, massas livres são justamente o que várias grandes questões exigem: testar se a gravidade é quântica, sondar modificações propostas para a mecânica quântica, procurar novas forças de curto alcance.

Um espelho num fio de vidro

Umang Mishra, Teodor Strömberg, Onur Hosten e colegas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria construíram o objeto de teste: uma barra-espelho de sílica fundida que pesa 1 miligrama, com 2 milímetros de comprimento, pendurada numa fibra de sílica fundida de 15 centímetros de comprimento e 1 micrômetro de espessura, num vácuo abaixo de 10⁻¹⁰ milibar. A rigor, é um pêndulo de torção que oscila para lá e para cá uma vez a cada 15 segundos. Mas nas escalas de tempo que importam aqui, dezenas de milissegundos, ele mal sente essa força de retorno: comporta-se como um objeto livre.

Seu isolamento é extremo. A equipe mediu os torques aleatórios que o sacodem e não encontrou nenhum ruído além do que produziria uma taxa de amortecimento de apenas 7 nanohertz. Usada como acelerômetro, a ponta da barra seria quase cem vezes mais sensível do que os melhores experimentos anteriores com essa massa.

Para observá-la, uma “alavanca óptica dupla” faz dois feixes de laser ricochetearem no espelho em direções opostas, de modo que uma oscilação do próprio laser se cancela e só resta a rotação da barra. Um terceiro feixe pode empurrar a barra com a pressão da luz. Toda a montagem fica sobre uma plataforma de isolamento sísmico, e um pequeno interferômetro com seu próprio espelho suspenso acompanha qualquer movimento residual dessa plataforma.

A medição no lugar da armadilha

A ideia central é que a medição contínua pode substituir a armadilha. Deixados por conta própria, a posição e a velocidade de um objeto livre se tornam cada vez mais incertas. Medido sem parar, o objeto revela sua trajetória à medida que ela se desenrola, e o nosso conhecimento de seu estado se acomoda num borrão estável e finito. Aqui, esse borrão se estabiliza em cerca de 26 milissegundos.

Essa incerteza residual pode ser convertida numa temperatura, por meio da definição clássica dos livros que liga a temperatura às variações de entropia. Essa “temperatura entrópica” diz com que nitidez o movimento do rotor é conhecido, e permite comparar objetos livres com osciladores.

A equipe prendeu a barra com luz, soltou-a e registrou seu ângulo em 100 trechos de 1,25 segundo. Foram comparadas duas maneiras de reconstruir seu estado: uma estimativa “causal”, que usa apenas as medições passadas, e uma “suavizada”, que também usa as medições feitas depois. A diferença entre as duas forneceu uma nova maneira de verificar quão bem o estado é realmente conhecido.

140 nanokelvin

• Só com os dados passados, o estado do rotor corresponde a 1,2 microkelvin.
• Com a suavização, cai para 140 nanokelvin — 140 bilionésimos de grau acima do zero absoluto.

Isso é cerca de duas ordens de grandeza mais frio do que experimentos de bancada anteriores com objetos mecânicos. Os autores observam que isso leva esses sistemas ao regime ultrafrio, até agora associado principalmente a nuvens de átomos resfriadas por evaporação. O resfriamento por realimentação convencional não poderia tê-lo alcançado.

Há um piso. Para esse nível de isolamento, o modelo prevê que a temperatura não pode cair abaixo de cerca de 15 nanokelvin: pelo princípio da incerteza de Heisenberg, medir a posição com cada vez mais finura borra cada vez mais a velocidade de rotação.

Para que serve uma massa livre quieta

Dois usos surgem de imediato. Algumas teorias modificam a mecânica quântica de modo que o borrão quântico colapse espontaneamente, o que acrescentaria um tremor aleatório e tênue a todo objeto. A imobilidade medida do rotor descarta uma nova faixa desses modelos em baixas frequências, complementar aos limites estabelecidos pela missão espacial LISA Pathfinder.

O segundo uso é a gravidade. Saber se a gravidade pode emaranhar duas massas é uma questão central em aberto. Pela figura de mérito da equipe, dois rotores assim já superariam qualquer sistema demonstrado anteriormente por quase duas ordens de grandeza na razão entre criar emaranhamento e perdê-lo, embora continuem longe da meta. Acrescentar uma modesta cavidade óptica para ler a rotação, escrevem os autores, colocaria a pureza necessária ao alcance.