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Novo relógio quântico marca o tempo sem "contar" os nanossegundos

Com uma nova técnica, cientistas podem agora determinar o tempo quântico entre dois estados de um átomo, sem a necessidade de usar um cronômetro a laser para medir a passagem dos nanossegundos. Isso pode ajudar engenheiros no desenvolvimento de computadores quânticos.

Uma das maneiras de contar a passagem de tempo no mundo quântico é jogar um laser em um átomo para contar o tempo entre as mudanças de um estado atômico para outro. Exemplo disso é o experimento de bomba-sonda, que usa um pulso de laser como “bomba” e outro como “sonda”, para medir as alterações causadas pelo anterior.

Essa é uma técnica de espectroscopia considerada a mais simples usada para estudar dinâmica eletrônica ultrarrápida. O feixe de “bomba” é o mais forte e excita o átomo, gerando um estado de não equilíbrio em que seus elétrons ganham um número quântico mais elevado.

Quanto maior o número quântico de um elétron, mais sua energia estará elevada. Isso significa que os elétrons das camadas de valência mais externas estarão mais distantes do núcleo e, portanto, ligados a ele com menor força. Isso também coloca os átomos em superposição de estados quânticos.

Já o segundo feixe do experimento (sonda) é usado para monitorar as mudanças induzidas pela “bomba” medindo coisas como refletividade ou transmissão dos átomos. Medir essas mudanças em função do atraso de tempo entre a chegada dos pulsos da bomba e da sonda é útil para descobrir mais sobre o relaxamento dos estados eletrônicos na amostra.

Como mostra o experimento mental do gato de Schrödinger, a sobreposição de estados é a nuvem de probabilidades de “posição” das partículas — nesse caso, dos elétrons, implicando em uma nuvem de probabilidades do estado de energia do átomo.

Tradicionalmente, os relógios quânticos captam as vibrações de átomos congelados para medir o tempo (Imagem: Reprodução/Corey Campbell/Georgia Tech)
Tradicionalmente, os relógios quânticos captam as vibrações de átomos congelados para medir o tempo (Imagem: Reprodução/Corey Campbell/Georgia Tech)

Esses experimentos são cruciais para o desenvolvimento de painéis solares, mas medir quanto tempo passa entre a bomba e a sonda não é uma tarefa trivial. O novo “relógio quântico”, desenvolvido por Marta Berholts (Universidade de Uppsala) e seus colegas, pode resolver esse problema.

A equipe usou átomos de hélio para realizar o experimento de bomba-sonda. Isso colocou os átomos em uma superposição de estados quânticos, então eles ficaram em vários níveis de energia ao mesmo tempo. Esses níveis de energia interagem uns com os outros, como no experimento da dupla fenda que cria um padrão de interferência que muda ao longo do tempo.

Quando os pesquisadores mediram esse padrão de interferência por apenas 1,7 trilionésimos de segundo, eles puderam compará-lo com simulações da interferência e encontrar o exato momento, em escala quântica, em que os padrões correspondiam. Isso revela precisamente quanto tempo os átomos de hélio ficaram em sobreposição.

A vantagem disso é que, ao contrário de outras técnicas, é que não existe a necessidade de um número inicial e outro final para a contagem do tempo. Tudo o que os cientistas precisam é olhar para a estrutura de interferência e saberão quantos nanossegundos se passaram.

Claro, o experimento não será muito útil para relógios de pulso ou qualquer outro que use a passagem de tempo à qual estamos acostumados. Mas em experimentos com o objetivo de medir o atraso entre dois tempos, como estudos sobre interações quânticas entre luz e matéria, a nova técnica pode poupar muito trabalho — e tempo.

O estudo foi publicado na Physical Review Research.

Fonte: Canaltech

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