Uma das questões em aberto mais profundas da física moderna é: “A gravidade é quântica?” 

As outras forças fundamentais — eletromagnética, fraca e forte — foram todas descritas com sucesso, mas ainda não existe uma teoria quântica da gravidade completa e consistente.  

“Físicos teóricos propuseram muitos cenários possíveis, desde a gravidade inerentemente clássica até a totalmente quântica, mas o debate permanece sem solução porque nunca tivemos uma maneira clara de testar a natureza quântica da gravidade em laboratório”, diz Dongchel Shin, doutorando no Departamento de Engenharia Mecânica (MechE) do MIT. “A chave para responder a essa pergunta está na preparação de sistemas mecânicos que sejam massivos o suficiente para sentir a gravidade, mas silenciosos o suficiente — quânticos o suficiente — para revelar como a gravidade interage com eles.”

Shin, que também é bolsista do MathWorks, pesquisa plataformas de metrologia quântica e de precisão que investigam a física fundamental e são projetadas para abrir caminho para a tecnologia industrial do futuro. Ele é o autor principal de um novo artigo que demonstra o resfriamento a laser de um oscilador torsional de um centímetro de comprimento. O artigo de acesso aberto, " Resfriamento a laser ativo de um oscilador torsional de escala centimétrica ", foi publicado recentemente na revista Optica . 

Os lasers têm sido rotineiramente empregados para resfriar gases atômicos desde a década de 1980 e têm sido usados no movimento linear de osciladores mecânicos em nanoescala desde aproximadamente 2010. O novo artigo apresenta a primeira vez que essa técnica foi estendida a osciladores torcionais, que são essenciais para um esforço mundial para estudar a gravidade usando esses sistemas.

“Pêndulos de torção têm sido ferramentas clássicas para pesquisa gravitacional desde o famoso experimento de [Henry] Cavendish em 1798. Eles têm sido usados para medir a constante gravitacional de Newton, G, testar a lei do inverso do quadrado e buscar novos fenômenos gravitacionais”, explica Shin.

Utilizando lasers para remover quase todo o movimento térmico dos átomos, cientistas criaram, nas últimas décadas, gases atômicos ultrafrios a temperaturas de micro e nanokelvin. Esses sistemas agora alimentam os relógios mais precisos do mundo — relógios de rede óptica — com precisão de cronometragem tão alta que adiantariam ou atrasariam menos de um segundo ao longo da idade do universo.

O novo artigo demonstra o resfriamento a laser de um oscilador torcional em escala centimétrica, da temperatura ambiente até uma temperatura de 10 milikelvins (1/1.000 de kelvin) usando uma alavanca óptica espelhada.

“Uma alavanca óptica é uma técnica de medição simples, mas poderosa: você aponta um laser para um espelho, e mesmo uma pequena inclinação do espelho faz com que o feixe refletido se desloque visivelmente em um detector. Isso amplifica pequenos movimentos angulares em sinais facilmente mensuráveis”, explica Shin, observando que, embora a premissa seja simples, a equipe enfrentou desafios na prática. “O próprio feixe de laser pode oscilar ligeiramente devido a correntes de ar, vibrações ou imperfeições na óptica. Essas oscilações podem parecer falsamente como movimento do espelho, limitando nossa capacidade de medir sinais físicos verdadeiros.”

Para superar isso, a equipe usou a abordagem de alavanca óptica espelhada, que emprega uma segunda versão espelhada do feixe de laser para cancelar a trepidação indesejada.

“Um feixe interage com o oscilador torcional, enquanto o outro reflete em um espelho de cubo de canto, revertendo qualquer jitter sem captar o movimento do oscilador”, diz Shin. “Quando os dois feixes são combinados no detector, o sinal real do oscilador é preservado e o movimento falso do jitter do laser é cancelado.”

Essa abordagem reduziu o ruído em um fator de mil, o que permitiu aos pesquisadores detectar movimento com extrema precisão, quase 10 vezes melhor do que as flutuações quânticas do ponto zero do próprio oscilador. "Esse nível de sensibilidade nos permitiu resfriar o sistema para apenas 10 mili-kelvins usando luz laser", diz Shin.

Shin afirma que este trabalho é apenas o começo. "Embora tenhamos alcançado precisão limitada quântica abaixo do movimento do ponto zero do oscilador, atingir o estado fundamental quântico real continua sendo nosso próximo objetivo", afirma. "Para isso, precisaremos fortalecer ainda mais a interação óptica — usando uma cavidade óptica que amplifica sinais angulares ou estratégias de aprisionamento óptico. Essas melhorias podem abrir caminho para experimentos em que dois desses osciladores interagem apenas por meio da gravidade, permitindo-nos testar diretamente se a gravidade é quântica ou não."

Os outros autores do artigo, do Departamento de Engenharia Mecânica, incluem Vivishek Sudhir, professor assistente de engenharia mecânica e professor de desenvolvimento de carreira da turma de 1957, e o doutorando Dylan Fife. Outros autores são Tina Heyward e Rajesh Menon, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Utah. Shin e Fife são membros do laboratório de Sudhir , o Grupo de Medições Quânticas e de Precisão . 

Shin diz que um aspecto que ele passou a apreciar com este trabalho é a amplitude do desafio que a equipe está enfrentando. "Estudar os aspectos quânticos da gravidade experimentalmente não exige apenas um profundo conhecimento de física — relatividade, mecânica quântica — mas também exige experiência prática em projeto de sistemas, nanofabricação, óptica, controle e eletrônica", afirma.

“Ter formação em engenharia mecânica, que abrange tanto os aspectos teóricos quanto os práticos dos sistemas físicos, me deu a perspectiva certa para navegar e contribuir significativamente nesses diversos domínios”, diz Shin. “Tem sido incrivelmente gratificante ver como essa formação abrangente pode ajudar a abordar uma das questões mais fundamentais da ciência.”