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Bolsista da FAPESP recebe prêmio de tese da Sociedade Brasileira de Física

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Trabalho de doutorado de Luís Felipe Gonçalves tratou de ciência fundamental, mas poderá contribuir para o desenvolvimento da computação quântica

Luís Felipe Gonçalves foi o ganhador do Prêmio de Tese de Doutorado da Sociedade Brasileira de Física (SBF) na área de Física Atômica e Molecular.

A premiação contemplou o trabalho “Interações entre átomos de Rydberg no regime de bloqueio de excitação”, orientado pelo professorLuis Gustavo Marcassa, do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP). O estudo contou com bolsa da FAPESP.

“No trabalho, estudamos interações entre átomos muito excitados aprisionados em uma armadilha óptica. Embora nosso enfoque tenha sido o da ciência fundamental, os resultados obtidos poderão eventualmente ser úteis no auxílio do desenvolvimento da computação quântica. Outra possível aplicação é contribuir para um melhor entendimento dos mecanismos que governam a formação de moléculas”, disse Gonçalves à Agência FAPESP.

Esses átomos excitados são chamados, genericamente, de “átomos de Rydberg” – denominação que homenageia o físico sueco Johannes Rydberg (1854-1919). Recebendo um aporte de energia por meio de laser, eles têm seu elétron de valência promovido às camadas distantes do núcleo. E, por conta disso, respondem fortemente a campos externos e interagem muito uns com os outros. No caso específico, Gonçalves estudou átomos de vapor de rubídio aprisionados na armadilha atômica em uma câmara de ultra-alto-vácuo.

Um fenômeno que ocorre com átomos de Rydberg – e que foi objeto da atenção de Gonçalves – é a “transferência de população”. A expressão não tem nada a ver com deslocamento no espaço, mas sim com o fato de que, embora sejam excitados a um único nível muito preciso de energia por meio de lasers bem controlados, os átomos alcançam estes e também outros níveis não contemplados pela energia do laser. O motivo é que o mecanismo de interação entre eles transfere energia de um átomo para outro.

“Com emprego de armadilha magneto-óptica, esse fenômeno, também denominado ‘ressonância de Förster’ [em homenagem ao químico alemão Theodor Förster (1910-1974)], já havia sido estudado há algum tempo. E o modelo explicativo era o de que os átomos de Rydberg se comportavam como um gás congelado, no qual vários átomos interagiam uns com os outros, fazendo com que alguns deles mudassem de estado. Usando outro tipo de armadilha, pudemos explorar mais este efeito, chegando a resultados diferentes”, disse Gonçalves.

Em vez da armadilha magneto-óptica, o pesquisador usou – e isso foi feito pela primeira vez na América do Sul – um tipo de armadilha diferente, a armadilha óptica de dipolo do tipo quest. Dito de maneira bem simples, trata-se de um dispositivo de aprisionamento formado por laser focalizado sobre os átomos inicialmente aprisionados na armadilha magneto-óptica.

O emprego dessa armadilha divide por mil o número de átomos aprisionados: do patamar de um bilhão para o patamar de um milhão. Mas, ao mesmo tempo, faz com que os átomos fiquem muito mais próximos uns dos outros. E, portanto, interajam muito mais entre si.

“Na prática, o procedimento foi o seguinte: comecei com uma armadilha magneto-óptica convencional; depois, focalizei na região dos átomos aprisionados um laser de 100 watts, que, para lasers que operam no modo contínuo, é uma potência extremamente alta. A luz do laser aprisionou os átomos na região do foco, formando uma linha, portanto, um sistema quase unidimensional”, descreveu Gonçalves.

Na explicação anterior, o fenômeno da “transferência de população” ou “ressonância de Förster” era descrito por meio de um modelo que considerava a interação de cada átomo com muitos outros átomos. O modelo adotado por Gonçalves simplificou drasticamente a descrição, considerando apenas a interação dos átomos dois a dois. Para usar uma terminologia consagrada em Física, foi a substituição de um sistema de muitos corpos por um sistema de dois corpos apenas.

Porém, para isso, foi necessário sofisticar a expressão matemática da interação. “A interação eletrostática é descrita, de forma aproximada, como uma interação de dois dipolos. Mas, na verdade, ela é uma soma infinita de vários termos: dipolo-dipolo, dipolo-quadrupolo, quadrupolo-quadrupolo e por aí vai. A grande contribuição é dada pela interação dipolo-dipolo. Já a contribuição dos outros termos é pequena, mas existe. Então, nós utilizamos uma explicação mais simples, a interação dois a dois, porém incorporamos mais termos matemáticos para descrevê-la”, disse.

Como os átomos estavam interagindo muito mais, o modelo adotado previa que a taxa de transferência de população seria muito maior. E o experimento confirmou isso. “Chegamos a obter quase 50% de transferência. Isso significa que o conjunto de átomos foi excitado a um estado A, e o resultado foi que metade deste número foi detectada em A e metade em um outro estado B, conforme previa nosso modelo”, disse Gonçalves.

Outro trabalho realizado pelo pesquisador no contexto desse estudo foi mostrar que, aplicando um campo elétrico externo à amostra quase-unidimensional de átomos de Rydberg, é possível reduzir a energia necessária para excitá-los, e ao mesmo tempo controlar a interação entre eles.

“Apliquei um campo elétrico de amplitude fixa – portanto, fazendo com que os átomos recebessem sempre a mesma quantidade de energia. Mas, variando a orientação do campo, foi possível controlar a interação entre os átomos. A interação induzida pelo campo pode, inclusive, ser cancelada no chamado ‘ângulo mágico’, quando os dipolos elétricos ficam alinhados em um ângulo de 54,7 graus com relação ao eixo internuclear”, disse Gonçalves.

Esse resultado é considerado muito interessante do ponto de vista de eventuais aplicações, porque, em computação quântica, há interesse em controlar, e em certos casos minimizar, a interação entre átomos vizinhos, para que não haja perda de coerência do sistema. Um caso de perda de coerência pode ser, por exemplo, a “transferência de população”, quando átomos são excitados a um nível muito bem conhecido, mas acabam também em outros níveis, transformando uma amostra atômica inicialmente pura em uma superposição de diferentes estados atômicos.

“Uma forma de controlar isso é minimizar a interação entre vizinhos. E nós mostramos que apenas variando a orientação do campo elétrico, e não sua amplitude, é possível conseguir esse controle”, disse o pesquisador.

Além disso, como já foi dito, a compreensão da interação entre átomos ajuda a entender também os mecanismos que levam à formação molecular. Isto é, identificar as “leis” e os mecanismos que governam a transição de uma situação onde dois átomos separados se comportam como entes distintos para a situação onde estes mesmos átomos estão reunidos em uma molécula, comportando-se então como um único componente.

Luís Felipe Gonçalves está atualmente nos Estados Unidos, trabalhando em uma empresa de tipo startup, voltada para o desenvolvimento de sensores quânticos. Sua tese de doutorado pode ser consultada em www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76131/tde-13032017-152355/pt-br.php.

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