Pesquisadores da Universidade Stanford registraram, pela primeira vez, um salto quântico de energia acontecendo diretamente no som, fenômeno que a física quântica prevê há mais de um século mas que até agora só havia sido observado em íons e partículas de luz.
O experimento, publicado na revista Science pela equipe liderada pelo físico Amir Safavi-Naeini, acompanhou em tempo real a transição de um único fônon, a menor unidade quantizada de vibração em um material, entre dois estados de energia.
O que é um fônon e por que ele salta
Um fônon não é uma partícula independente, mas uma quantidade quantizada de movimento coletivo dos átomos de um material. No dia a dia, esse comportamento é imperceptível: quando um diapasão vibra, o som diminui de forma gradual até desaparecer.
Na escala quântica, porém, a energia vibracional pode passar diretamente entre níveis bem definidos, sem transição intermediária. O experimento de Stanford capturou justamente essa mudança abrupta, de um estado com um fônon para outro sem nenhum.
Como o experimento funcionou
Para observar o fenômeno, os pesquisadores construíram um ressonador mecânico microscópico com técnicas semelhantes às usadas na fabricação de chips, funcionando como uma espécie de diapasão minúsculo capaz de manter uma vibração por aproximadamente dois milissegundos.
Proporcionalmente, isso equivaleria a um diapasão comum vibrando durante várias horas seguidas, o que permitiu realizar centenas de medições enquanto o sistema permanecia ativo.
O maior desafio técnico foi medir esse comportamento sem destruir o próprio estado quântico observado, um dos problemas centrais da engenharia quântica. A solução foi conectar o ressonador a um qubit supercondutor, unidade usada para armazenar e manipular informação quântica, que também funcionou como um detector elétrico.
Durante os dois milissegundos de vibração, o qubit checava repetidamente se o ressonador estava no nível energético 1 ou 0, revelando o instante exato em que o fônon desaparecia.
Para que isso pode servir
Os estados usados para armazenar informação nesses sistemas são extremamente sensíveis ao ambiente, e um salto quântico pode representar justamente um erro que corrompe uma operação antes que ela seja concluída.
O tamanho reduzido do ressonador também permite integrar vários deles em um único chip, o que abre caminho para sensores de altíssima precisão. A equipe de Stanford já trabalha com pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) para investigar uma aplicação ambiciosa: usar a mesma plataforma para detectar e identificar proteínas dentro de células.
