Físicos do MIT capturaram as primeiras imagens de átomos individuais interagindo livremente no espaço. As imagens revelam correlações entre as partículas "de livre alcance" que até agora eram previstas, mas nunca observadas diretamente. Suas descobertas, publicadas hoje na revista Physical Review Letters , ajudarão os cientistas a visualizar fenômenos quânticos nunca antes vistos no espaço real.

As imagens foram obtidas usando uma técnica desenvolvida pela equipe que, primeiramente, permite que uma nuvem de átomos se mova e interaja livremente. Em seguida, os pesquisadores ativam uma rede de luz que congela brevemente os átomos em suas trajetórias e aplicam lasers finamente ajustados para iluminar rapidamente os átomos suspensos, criando uma imagem de suas posições antes que os átomos se dissipem naturalmente.

Os físicos aplicaram a técnica para visualizar nuvens de diferentes tipos de átomos e registraram uma série de imagens pioneiras. Os pesquisadores observaram diretamente átomos conhecidos como "bósons", que se agrupavam em um fenômeno quântico para formar uma onda. Eles também capturaram átomos conhecidos como "férmions" em processo de pareamento no espaço livre — um mecanismo fundamental que possibilita a supercondutividade.

“Conseguimos ver átomos individuais nessas nuvens interessantes de átomos e o que eles estão fazendo em relação uns aos outros, o que é lindo”, diz Martin Zwierlein, professor de Física Thomas A. Frank no MIT.

Na mesma edição do periódico, dois outros grupos relatam o uso de técnicas de imagem semelhantes, incluindo uma equipe liderada pelo ganhador do Prêmio Nobel Wolfgang Ketterle, Professor John D. MacArthur de Física no MIT. O grupo de Ketterle visualizou correlações de pares aprimoradas entre bósons, enquanto o outro grupo, da École Normale Supérieure em Paris, liderado por Tarik Yefsah, obteve imagens de uma nuvem de férmions não interagentes.

O estudo de Zwierlein e seus colegas foi coautorado pelos alunos de pós-graduação do MIT Ruixiao Yao, Sungjae Chi e Mingxuan Wang, e pelo professor assistente de física do MIT, Richard Fletcher.

Um único átomo tem cerca de um décimo de nanômetro de diâmetro, o que equivale a um milionésimo da espessura de um fio de cabelo humano. Ao contrário do cabelo, os átomos se comportam e interagem de acordo com as regras da mecânica quântica; é sua natureza quântica que os torna difíceis de entender. Por exemplo, não podemos saber simultaneamente com precisão onde um átomo está e com que velocidade ele se move.

Os cientistas podem aplicar vários métodos para obter imagens de átomos individuais, incluindo imagens de absorção, onde a luz do laser incide sobre a nuvem de átomos e projeta sua sombra na tela da câmera.

“Essas técnicas permitem ver a forma e a estrutura geral de uma nuvem de átomos, mas não os átomos individuais em si”, observa Zwierlein. “É como ver uma nuvem no céu, mas não as moléculas de água individuais que a compõem.”

Ele e seus colegas adotaram uma abordagem muito diferente para obter imagens diretas de átomos interagindo no espaço livre. Sua técnica, chamada "microscopia de resolução atômica", envolve, primeiramente, o encurralamento de uma nuvem de átomos em uma armadilha solta formada por um feixe de laser. Essa armadilha contém os átomos em um único local onde podem interagir livremente. Os pesquisadores então projetam uma rede de luz, que congela os átomos em suas posições. Em seguida, um segundo laser ilumina os átomos suspensos, cuja fluorescência revela suas posições individuais.

“A parte mais difícil foi coletar a luz dos átomos sem fervê-los para fora da rede óptica”, diz Zwierlein. “Imagine que se você usasse um lança-chamas contra esses átomos, eles não gostariam disso. Então, aprendemos alguns truques ao longo dos anos sobre como fazer isso. E é a primeira vez que fazemos isso in situ, onde podemos congelar repentinamente o movimento dos átomos quando eles estão interagindo fortemente e observá-los, um após o outro. É isso que torna essa técnica mais poderosa do que as anteriores.”

A equipe aplicou a técnica de imagem para observar diretamente as interações entre bósons e férmions. Fótons são um exemplo de bóson, enquanto elétrons são um tipo de férmion. Átomos podem ser bósons ou férmions, dependendo de seu spin total, que é determinado pelo número total de seus prótons, nêutrons e elétrons ser par ou ímpar. Em geral, bósons se atraem, enquanto férmions se repelem.

Zwierlein e seus colegas primeiro visualizaram uma nuvem de bósons composta por átomos de sódio. Em baixas temperaturas, uma nuvem de bósons forma o que é conhecido como condensado de Bose-Einstein — um estado da matéria em que todos os bósons compartilham um único e mesmo estado quântico. Ketterle, do MIT, foi um dos primeiros a produzir um condensado de Bose-Einstein, de átomos de sódio, pelo qual dividiu o Prêmio Nobel de Física de 2001.

O grupo de Zwierlein agora consegue visualizar os átomos individuais de sódio dentro da nuvem para observar suas interações quânticas. Há muito tempo se prevê que os bósons devem se "agrupar", aumentando a probabilidade de estarem próximos uns dos outros. Esse agrupamento é uma consequência direta de sua capacidade de compartilhar uma única e mesma onda mecânica quântica. Esse caráter ondulatório foi previsto pela primeira vez pelo físico Louis de Broglie. Foi a hipótese da "onda de De Broglie" que, em parte, deu início à mecânica quântica moderna.

“Entendemos muito mais sobre o mundo a partir dessa natureza ondulatória”, diz Zwierlein. “Mas é realmente difícil observar esses efeitos quânticos, ondulatórios. No entanto, em nosso novo microscópio, podemos visualizar essa onda diretamente.”

Em seus experimentos de imagem, a equipe do MIT conseguiu observar, pela primeira vez in situ, bósons se agrupando enquanto compartilhavam uma onda de De Broglie quântica correlacionada. A equipe também visualizou uma nuvem de dois tipos de átomos de lítio. Cada tipo de átomo é um férmion, que naturalmente repele seu próprio tipo, mas que pode interagir fortemente com outros tipos específicos de férmions. Ao visualizarem a nuvem, os pesquisadores observaram que, de fato, os tipos opostos de férmions interagiam e formavam pares de férmions — um acoplamento que eles puderam observar diretamente pela primeira vez.

“Esse tipo de pareamento é a base de uma construção matemática que as pessoas inventaram para explicar experimentos. Mas quando você vê imagens como essas, isso está sendo mostrado em uma fotografia, um objeto que foi descoberto no mundo matemático”, diz o coautor do estudo, Richard Fletcher. “Então, é um ótimo lembrete de que a física trata de coisas físicas. É real.”

No futuro, a equipe aplicará sua técnica de imagem para visualizar fenômenos mais exóticos e menos compreendidos, como a "física de Hall quântica" — situações em que elétrons interagindo exibem novos comportamentos correlacionados na presença de um campo magnético.

“É aí que a teoria fica realmente complicada — onde as pessoas começam a desenhar figuras em vez de conseguir escrever uma teoria completa porque não conseguem resolvê-la completamente”, diz Zwierlein. “Agora podemos verificar se esses desenhos de estados de Hall quânticos são realmente reais. Porque são estados bem bizarros.”

Este trabalho foi apoiado, em parte, pela National Science Foundation por meio do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, bem como pelo Air Force Office of Scientific Research, o Army Research Office, o Department of Energy, a Defense Advanced Projects Research Agency, uma Vannevar Bush Faculty Fellowship e a David and Lucile Packard Foundation.