Físicos Descobrem um Método Completamente Novo para Medir o Tempo
Crédito: Pixabay
Medir o tempo no nosso mundo de relógios e pêndulos oscilantes é tão simples como contar os segundos entre o “então” e o “agora”.
No entanto, à escala quântica, onde os electrões vibram de forma imprevisível, o “então” torna-se difícil de identificar e o “agora” dissolve-se frequentemente na incerteza. Nestes casos, um cronómetro tradicional é simplesmente ineficaz.
Uma potencial resposta pode estar na própria estrutura da névoa quântica, como sugere um estudo de 2022 realizado por investigadores da Universidade de Uppsala, na Suécia.
As suas experiências concentraram-se no comportamento ondulatório de um fenómeno conhecido como estado de Rydberg, descobrindo um método único para medir o tempo que não depende de um ponto de partida preciso.
Gigantes Quânticos Energizados por Lasers
Os átomos de Rydberg, frequentemente descritos como “balões super-inflados” de partículas, formam-se quando os lasers energizam os átomos, empurrando os seus eletrões para estados de alta energia que os fazem orbitar longe do núcleo.
Visualização de um átomo de Rydberg. (Berndthaller/CC BY-SA 4.0/Wikimedia Commons)
Nem todo o pulso laser precisa de insuflar um átomo em proporções exageradas. Os lasers são comummente utilizados para excitar eletrões em estados de energia mais elevados para diversos fins.
Em alguns casos, um segundo laser acompanha o movimento do eletrão, incluindo as mudanças ao longo do tempo. Estes métodos de “sonda de bomba” são úteis para medir a velocidade de processos eletrónicos ultrarrápidos, entre outras aplicações.
Avançando na computação quântica e mais além
A indução de átomos em estados de Rydberg é uma técnica valiosa para engenheiros, especialmente no desenvolvimento de componentes avançados para computadores quânticos. Com o tempo, os físicos reuniram um amplo conhecimento sobre a forma como os eletrões se comportam quando empurrados para o estado de Rydberg.
No entanto, estes comportamentos quânticos assemelham-se mais a um jogo caótico de roleta do que ao movimento ordenado das contas num ábaco, com cada movimento e salto comprimidos num único evento imprevisível.
A estrutura matemática que rege esta errática “roleta eletrónica de Rydberg” é designada por pacote de ondas de Rydberg.
Semelhante às ondas físicas, vários pacotes de ondas Rydberg que interagem num espaço criam interferência, produzindo padrões de ondulação únicos.
Ao introduzir pacotes de ondas Rydberg suficientes num sistema atómico, estes padrões tornam-se marcadores distintos do tempo que os pacotes de ondas demoram a evoluir uns em relação aos outros.
Os eletrões que se movem quando levados para um estado de Rydberg são menos como contas a deslizar num pequeno ábaco e mais como uma noite na mesa de roleta, onde cada rolagem e salto da bola são espremidos num único jogo de azar. (graphics.vp/Canva)
Os físicos por detrás destas experiências pretendiam testar as “impressões digitais” do tempo, demonstrando que eram consistentes e fiáveis o suficiente para funcionar como uma forma de carimbo quântico de tempo.
Átomos de hélio excitados por laser revelam carimbos de data e hora quânticos
O seu trabalho envolveu a análise de átomos de hélio excitados por laser e a comparação dos resultados com as previsões teóricas. Isto mostrou que as assinaturas únicas dos padrões de interferência podiam representar eficazmente durações de tempo.
“Normalmente, é preciso definir zero quando se utiliza um contador – começa-se a contar a partir de um ponto específico”, explicou a física Marta Berholts, da Universidade de Uppsala, em 2022. “A vantagem aqui é que não é preciso acionar um relógio ; simplesmente examina a estrutura de interferência e determina, por exemplo, ‘já passaram 4 nanossegundos’”.
Um catálogo de padrões de pacotes de ondas Rydberg em evolução poderá complementar outras técnicas de espectroscopia de sonda de bomba, permitindo medições precisas de eventos a uma escala onde definir “agora” e “então” é impraticável.
Crucialmente, estas impressões digitais não exigem um ponto de partida ou de paragem tradicional no tempo. É como cronometrar um velocista desconhecido comparando o seu desempenho com o de corredores com velocidades conhecidas.
Ao identificar os padrões de interferência nos estados de Rydberg dentro de uma amostra de átomos de sonda de bomba, os investigadores podiam registar a data e hora dos eventos tão breves como 1,7 trilionésimos de segundo.
Experiências futuras podem expandir a versatilidade do método utilizando outros átomos ou impulsos de laser de energias variadas, criando um catálogo mais alargado de carimbos de data/hora para diversas condições.
Leia o Artigo Original: Science Alert
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