Os íons de berílio podem ajudar na caça à matéria escura.

Usando uma peculiaridade da mecânica quântica, os pesquisadores criaram um cristal de berílio capaz de detectar campos eletromagnéticos incrivelmente fracos. O trabalho poderia um dia ser usado para detectar partículas hipotéticas de matéria escura chamadas áxions. 

A impressão de um artista sobre o emaranhamento quântico. Os cientistas confundiram os movimentos dos íons de berílio com seus giros para criar um cristal de berílio capaz de detectar campos eletromagnéticos incrivelmente fracos. Crédito da imagem: Shutterstock

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Os pesquisadores criaram o cristal quântico prendendo 150 partículas carregadas de berílio ou íons usando um sistema de eletrodos e campos magnéticos que ajudaram a superar sua repulsão natural um pelo outro, segundo Ana Maria Rey, física atômica do JILA, um instituto conjunto do Instituto Nacional de Standards and Technology e da University of Colorado Boulder.

Quando Rey e seus colegas capturaram os íons com seu sistema de campos e eletrodos, os átomos se reuniram em uma folha plana duas vezes mais grossa que um cabelo humano. Este coletivo organizado parecia um cristal que vibraria quando perturbado por alguma força externa. 

"Quando você excita os átomos, eles não se movem individualmente", disse Rey. "Eles se movem como um todo."

Quando aquele "cristal" de berílio encontrou um campo eletromagnético, ele se moveu em resposta, e esse movimento pode ser traduzido em uma medição da intensidade do campo.

Mas as medições de qualquer sistema mecânico quântico estão sujeitas aos limites estabelecidos pelo princípio da incerteza de Heisenberg, que afirma que certas propriedades de uma partícula, como sua posição e momento, não podem ser conhecidas simultaneamente com alta precisão. 

A equipe descobriu uma maneira de contornar esse limite com o emaranhamento, onde os atributos das partículas quânticas são inerentemente vinculados. 

"Usando o emaranhamento, podemos ter a percepção de coisas que não seriam possíveis de outra forma", disse Rey.

Nesse caso, ela e seus colegas confundiram os movimentos dos íons de berílio com seus spins. Os sistemas quânticos se assemelham a minúsculos topos e o spin descreve a direção, digamos para cima ou para baixo, para a qual esses topos estão apontando. 

Quando o cristal vibrou, ele se moveu em uma certa quantidade. Mas por causa do princípio da incerteza, qualquer medição desse deslocamento, ou a quantidade de íons movidos, estaria sujeita a limites de precisão e conteria muito do que é conhecido como ruído quântico, disse Rey. 

Para medir o deslocamento, "precisávamos de um deslocamento maior do que o ruído quântico", disse ela. 

O emaranhamento entre os movimentos dos íons e seus spins espalha esse ruído, reduzindo-o e permitindo aos pesquisadores medir flutuações ultra-minúsculas no cristal. Eles testaram o sistema enviando uma onda eletromagnética fraca através dele e vendo-o vibrar. O trabalho foi descrito em 6 de agosto na revista Science. 

O cristal já é 10 vezes mais sensível na detecção de pequenos sinais eletromagnéticos do que os sensores quânticos anteriores. Mas a equipe acha que com mais íons de berílio, eles poderiam criar um detector ainda mais sensível, capaz de procurar áxions.

áxions são propostas de partícula ultraleve de matéria escura com um milionésimo ou bilionésimo da massa de um elétron. Alguns modelos do áxion sugerem que às vezes ele pode se converter em um fóton; nesse caso, não seria mais escuro e produziria um campo eletromagnético fraco. Se algum áxion voasse através de um laboratório contendo este cristal de berílio, o cristal poderia detectar sua presença. 

"Acho que é um belo resultado e um experimento impressionante", disse Daniel Carney, físico teórico do Lawrence Berkeley National Laboratory em Berkeley, Califórnia, que não esteve envolvido na pesquisa. 

Além de ajudar na busca pela matéria escura, Carney acredita que o trabalho pode encontrar muitas aplicações, como procurar campos eletromagnéticos dispersos de fios em um laboratório ou procurar defeitos em um material.

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Referência:

MANN, Adam. Quantum crystal could reveal the identity of dark matter. Live Science, 30, ago. 2021. Disponível em: <https://www.livescience.com/quantum-crystal-dark-matter.html>. Acesso em: 30, ago. 2021.