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Um novo estudo confirma que, à medida que os átomos são resfriados e comprimidos ao extremo, sua capacidade de espalhar luz é suprimida.
Os elétrons de um átomo são organizados em camadas de energia. Como os frequentadores de concertos em uma arena, cada elétron ocupa uma única cadeira e não pode cair para uma camada inferior se todas as suas cadeiras estiverem ocupadas. Essa propriedade fundamental da física atômica é conhecida como princípio de exclusão de Pauli e explica a estrutura da concha dos átomos, a diversidade da tabela periódica dos elementos e a estabilidade do universo material.
Agora, os físicos do MIT observaram o princípio de exclusão de Pauli, ou bloqueio de Pauli, de uma maneira completamente nova: eles descobriram que o efeito pode suprimir como uma nuvem de átomos espalha a luz.
Normalmente, quando os fótons de luz penetram em uma nuvem de átomos, os fótons e os átomos podem se separar como bolas de bilhar, espalhando luz em todas as direções para irradiar luz e, assim, tornar a nuvem visível. No entanto, a equipe do MIT observou que quando os átomos são super-resfriados e ultra-comprimidos, o efeito Pauli entra em ação e as partículas efetivamente têm menos espaço para espalhar a luz. Em vez disso, os fótons passam sem serem espalhados.
Em seus experimentos, os físicos observaram esse efeito em uma nuvem de átomos de lítio. À medida que foram ficando mais frios e mais densos, os átomos espalharam menos luz e tornaram-se progressivamente mais escuros. Os pesquisadores suspeitam que se pudessem empurrar as condições ainda mais, a temperaturas de zero absoluto, a nuvem se tornaria totalmente invisível.
Os resultados da equipe, relatados hoje na Science , representam a primeira observação do efeito do bloqueio de Pauli na dispersão de luz pelos átomos. Este efeito foi previsto há 30 anos, mas não foi observado até agora.
“O bloqueio de Pauli em geral foi comprovado e é absolutamente essencial para a estabilidade do mundo ao nosso redor”, diz Wolfgang Ketterle, o John D. Arthur Professor de Física do MIT. “O que observamos é uma forma muito especial e simples de bloqueio de Pauli, que impede um átomo de fazer o que todos os átomos fariam naturalmente: espalhar luz. Esta é a primeira observação clara de que esse efeito existe e mostra um novo fenômeno na física”.
Os co-autores de Ketterle são o autor principal e ex-pós-doutorado do MIT Yair Margalit, o estudante de graduação Yu-Kun Lu e o Furkan Top PhD '20. A equipe é afiliada ao MIT Physics Department, ao MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms e ao Research Laboratory of Electronics (RLE) do MIT.
Um chute leve
Quando Ketterle veio para o MIT como um pós-doutorado há 30 anos, seu mentor, David Pritchard, o Cecil e Ida Green Professor de Física, fez uma previsão de que o bloqueio de Pauli suprimiria a maneira como certos átomos conhecidos como férmions espalham a luz.
Sua ideia, em termos gerais, era que se os átomos estivessem congelados quase paralisados e comprimidos em um espaço apertado o suficiente, os átomos se comportariam como elétrons em camadas de energia compactadas, sem espaço para mudar sua velocidade ou posição. Se fótons de luz entrassem, eles não seriam capazes de se espalhar.
“Um átomo só pode espalhar um fóton se puder absorver a força de seu chute movendo-se para outra cadeira”, explica Ketterle, invocando a analogia do assento da arena. “Se todas as outras cadeiras estiverem ocupadas, ele não terá mais a capacidade de absorver o chute e espalhar o fóton. Então, os átomos se tornam transparentes”.
“Esse fenômeno nunca havia sido observado antes, porque as pessoas não eram capazes de gerar nuvens frias e densas o suficiente”, acrescenta Ketterle.
“Controlando o mundo atômico”
Nos últimos anos, físicos, incluindo os do grupo de Ketterle, desenvolveram técnicas magnéticas e baseadas em laser para reduzir os átomos a temperaturas ultracold. O fator limitante, diz ele, foi a densidade.
“Se a densidade não for alta o suficiente, um átomo ainda pode espalhar luz pulando de algumas cadeiras até encontrar algum espaço”, diz Ketterle. “Esse foi o gargalo”.
Em seu novo estudo, ele e seus colegas usaram técnicas desenvolvidas anteriormente para primeiro congelar uma nuvem de férmions - neste caso, um isótopo especial do átomo de lítio, que tem três elétrons, três prótons e três nêutrons. Eles congelaram uma nuvem de átomos de lítio a 20 microkelvins, que é cerca de 1 / 100.000 da temperatura do espaço interestelar.
“Em seguida, usamos um laser fortemente focado para comprimir os átomos ultracold para registrar as densidades, que alcançaram cerca de um quatrilhão de átomos por centímetro cúbico”, explica Lu.
Os pesquisadores então direcionaram outro feixe de laser para a nuvem, que eles calibraram cuidadosamente para que seus fótons não aquecessem os átomos ultracold ou alterassem sua densidade conforme a luz passasse. Finalmente, eles usaram uma lente e uma câmera para capturar e contar os fótons que conseguiram se espalhar.
“Na verdade, estamos contando algumas centenas de fótons, o que é realmente incrível”, diz Margalit. “Um fóton é uma pequena quantidade de luz, mas nosso equipamento é tão sensível que podemos vê-lo como uma pequena gota de luz na câmera”.
Em temperaturas progressivamente mais frias e densidades mais altas, os átomos espalharam cada vez menos luz, exatamente como a teoria de Pritchard previa. No seu estado mais frio, em torno de 20 microkelvin, os átomos eram 38 por cento mais escuros, o que significa que espalharam 38 por cento menos luz do que átomos menos frios e menos densos.
“Este regime de nuvens ultracongeladas e muito densas tem outros efeitos que podem nos enganar”, diz Margalit. “Então, passamos alguns bons meses examinando e deixando de lado esses efeitos para obter a medição mais clara”.
Agora que a equipe observou que o bloqueio de Pauli pode de fato afetar a capacidade de um átomo de espalhar luz, Ketterle diz que esse conhecimento fundamental pode ser usado para desenvolver materiais com espalhamento de luz suprimido, por exemplo, para preservar dados em computadores quânticos.
“Sempre que controlamos o mundo quântico, como nos computadores quânticos, a dispersão de luz é um problema e significa que a informação está vazando do seu computador quântico”, ele pondera. “Esta é uma forma de suprimir a dispersão de luz e estamos contribuindo para o tema geral de controle do mundo atômico”.
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela National Science Foundation e pelo Departamento de Defesa. Trabalhos relacionados por equipes da University of Colorado e da University of Otago aparecem na mesma edição da Science .
Fonte: MIT News Office/ 18-11-2021
https://news.mit.edu/2021/atoms-ultracold-scatter-light-1118
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Hélio R.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e
Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Acompanha e divulga os
conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration),
ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA. A
partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB),
como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
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