Para o olho humano, a maioria dos objetos estaciona¡rios parecem ser exatamente isso - parados e completamente em repouso. No entanto, se nos entregassem uma lente qua¢ntica, permitindo-nos ver objetos na escala de a¡tomos individuais, o que era uma maçã parada em nossa mesa pareceria uma coleção abundante departículas vibrantes, muito em movimento.

Nas últimas décadas, os fa­sicos encontraram maneiras de super-resfriar objetos de modo que seus a¡tomos fiquem quase parados ou em seu " estado fundamental de movimento ". Atéagora, os fa­sicos lutaram com pequenos objetos, como nuvens de milhões de a¡tomos, ou objetos em escala de nanograma, em tais estados qua¢nticos puros.

Agora, pela primeira vez, os cientistas do MIT e de outros lugares resfriaram um objeto grande em escala humana para perto de seu estado fundamental de movimento. O objeto não étanga­vel no sentido de estar situado em um local, mas éo movimento combinado de quatro objetos separados, cada um pesando cerca de 40 kg. O "objeto" que os pesquisadores resfriaram tem uma massa estimada de cerca de 10 quilogramas e compreende cerca de 1x10 26 , ou quase 1 octilha£o, de a¡tomos.

Os pesquisadores aproveitaram a capacidade do Laser Interfrometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) para medir o movimento das massas com extrema precisão e super-resfriar o movimento coletivo das massas para 77 nanokelvins, pouco antes do estado fundamental previsto do objeto de 10 nanokelvins.

Seus resultados, que aparecem hoje na Science , representam o maior objeto a ser resfriado pra³ximo ao seu estado fundamental de movimento. Os cientistas dizem que agora tem a chance de observar o efeito da gravidade em um objeto qua¢ntico massivo.

"Ninguanãm jamais observou como a gravidade age em estados qua¢nticos massivos", diz Vivishek Sudhir, professor assistente de engenharia meca¢nica do MIT, que dirigiu o projeto. "Demonstramos como preparar objetos na escala de quilogramas em estados qua¢nticos. Isso finalmente abre a porta para um estudo experimental de como a gravidade pode afetar grandes objetos qua¢nticos, algo atéentão apenas sonhado."

Os autores do estudo são membros do Laborata³rio LIGO e incluem o autor principal e estudante de graduação Chris Whittle, o pa³s-doutorando Evan Hall, a cientista pesquisadora Sheila Dwyer, Reitora da Escola de Ciências e a Professora Curtis e Kathleen Marble de Astrofísica Nergis Mavalvala, e a professora assistente de engenharia meca¢nica Vivishek Sudhir.

Para parar um objeto em seu caminho, pode-se exercer sobre ele uma força igual e oposta. (Pense em parar uma bola de beisebol no meio do voo com a força de sua luva.) Se os cientistas podem medir com precisão a magnitude e a direção dos movimentos de um a¡tomo, eles podem aplicar forças contra¡rias para baixar sua temperatura - uma técnica conhecida como resfriamento por feedback.

Os fa­sicos aplicaram resfriamento por feedback atravanãs de vários meios, incluindo luz laser, para trazer a¡tomos individuais e objetos ultraleves aos seus estados fundamentais qua¢nticos, e tentaram super-resfriar objetos progressivamente maiores, para estudar efeitos qua¢nticos em sistemas maiores e tradicionalmente cla¡ssicos.

“O fato de algo ter temperatura éum reflexo da ideia de que ele interage com as coisas ao seu redor”, diz Sudhir. "E émais difa­cil isolar objetos maiores de todas as coisas que acontecem ao seu redor."

Para resfriar os a¡tomos de um objeto grande atépra³ximo ao estado fundamental, seria necessa¡rio primeiro medir seu movimento com extrema precisão, para saber o grau de retrocesso necessa¡rio para interromper esse movimento. Poucos instrumentos no mundo podem atingir tal precisão. O LIGO, por acaso, pode.

O observata³rio de detecção de ondas gravitacionais compreende interfera´metros gaªmeos em locais separados nos Estados Unidos. Cada interfera´metro tem dois longos taºneis conectados em forma de L e se estendendo por 4 quila´metros em cada direção. Em cada extremidade de cada taºnel háum espelho de 40 quilogramas suspenso por fibras finas, que oscila como um paªndulo em resposta a qualquer perturbação, como uma onda gravitacional que se aproxima. Um laser no nexo dos taºneis édividido e enviado por cada taºnel, depois refletido de volta a  sua fonte. O tempo dos lasers de retorno informa aos cientistas precisamente quanto cada espelho se moveu, com uma precisão de 1 / 10.000 da largura de um pra³ton.

Sudhir e seus colegas se perguntaram se poderiam usar a precisão de medição de movimento do LIGO para primeiro medir o movimento de objetos grandes em escala humana e, em seguida, aplicar uma força contra¡ria, oposta a  que medem, para trazer os objetos ao seu estado fundamental.

O objeto que eles visavam resfriar não éum espelho individual, mas sim o movimento combinado de todos os quatro espelhos do LIGO.

"O LIGO foi projetado para medir o movimento articular de quatro espelhos de 40 quilos", explica Sudhir. "Acontece que vocêpode mapear o movimento conjunto dessas massas matematicamente e pensar nelas como o movimento de um aºnico objeto de 10 quilogramas."

Ao medir o movimento dos a¡tomos e outros efeitos qua¢nticos, diz Sudhir, o pra³prio ato de medir pode chutar aleatoriamente o espelho e coloca¡-lo em movimento - um efeito qua¢ntico denominado "ação retroativa da medição". Conforme os fa³tons individuais de um laser refletem em um espelho para reunir informações sobre seu movimento, o momento do fa³ton empurra de volta o espelho. Sudhir e seus colegas perceberam que se os espelhos forem medidos continuamente, como no LIGO, o recuo aleata³rio dos fa³tons anteriores pode ser observado nas informações transportadas pelos fa³tons posteriores.

Armados com um registro completo das perturbações qua¢nticas e cla¡ssicas em cada espelho, os pesquisadores aplicaram uma força igual e oposta com eletroa­ma£s presos na parte de trás de cada espelho. O efeito quase paralisou o movimento coletivo, deixando os espelhos com tão pouca energia que não se moveram mais do que 10-20 metros, menos de um milanãsimo do tamanho de um pra³ton.

A equipe então equiparou a energia restante do objeto, ou movimento, com a temperatura, e descobriu que o objeto estava situado a 77 nanoquelvin, muito pra³ximo de seu estado fundamental de movimento, que prevaªem ser 10 nanoquelvin.

"Isso écompara¡vel a  temperatura que os fa­sicos ata´micos resfriam seus a¡tomos para chegar ao estado fundamental, e isso écom uma pequena nuvem de talvez um milha£o de a¡tomos, pesando picogramas", diz Sudhir. "Então, énota¡vel que vocêpossa resfriar algo muito mais pesado, atéa mesma temperatura."

"Preparar algo no estado fundamental émuitas vezes o primeiro passo para coloca¡-lo em estados qua¢nticos excitantes ou exa³ticos", diz Whittle. "Portanto, este trabalho éempolgante porque pode nos permitir estudar alguns desses outros estados, em uma escala de massa que nunca foi feita antes."