Átomos se comportando como ondas quânticas capturadas em alta resolução pela primeira vez

Pesquisadores franceses revelaram a imagem mais clara da história de átomos individuais se comportando como ondas quânticas, assim como previsto pela equação de Schrödinger. O experimento, que regula grande parte da mecânica quântica, representa um grande avanço nesse campo e nos permitirá continuar estudando o comportamento quântico exótico de átomos individuais.

A natureza ondulatória da matéria é um dos aspectos mais fascinantes da mecânica quântica. Previsto na década de 1920 pela equação de Schrödinger, esse fenômeno, conhecido como dualismo onda-partícula, significa que partículas de matéria podem se comportar tanto como partículas quanto como ondas. Essa dupla característica foi proposta pela primeira vez pelo físico Louis de Broglie com a ajuda da teoria das ondas eletrônicas, que combinou os dois conceitos.

Nas décadas que se seguiram, essas teorias foram confirmadas por uma série de experimentos marcantes, como a observação da difração de elétrons. A difração de elétrons consiste em irradiar uma amostra com elétrons e observar o comportamento da difração (o comportamento das ondas quando colidem com um obstáculo ou buraco).

Alguns também observaram o comportamento ondulatório de partículas massivas (como átomos e moléculas) que podem ser convertidas em "pacotes de ondas". Esta propriedade permite que a partícula tenha múltiplas frequências e comprimentos de onda combinados, dando-lhe propriedades quânticas únicas.

Outra categoria de experimentos possibilitou estudar a distribuição espacial de pacotes de ondas individuais. Por outro lado, avanços recentes em imagens quânticas tornaram possível fixar a função de onda de átomos individuais. Para simplificar, a função de onda confere a qualquer partícula as propriedades de interferência características de uma onda e generaliza a dualidade onda-partícula.

Pesquisadores da Universidade Sorbonne e de Toulouse obtiveram recentemente as imagens in situ mais nítidas de pacotes de ondas de átomos individuais já obtidas em um experimento detalhado na plataforma de pré-publicação arXiv. Este é um grande avanço que replica perfeitamente as previsões da equação de Schrödinger.

Os átomos que se comportam como partículas aparecem como pontos vermelhos e, quando se comportam como ondas, se propagam em gotículas mais abrangentes. © por Joris Verstraeten, et al

Uma observação inédita que confirma a equação de Schrödinger

Para conduzir o experimento, os pesquisadores usaram técnicas avançadas de detecção para capturar a transição de átomos individuais em estados de onda. Para isso, foi utilizada a microscopia gasosa quântica, que permite obter uma imagem da distribuição dos pacotes de ondas à medida que se propagam em um plano. A função de onda é espalhada de forma controlada através de uma rede óptica (laser array).

Esta técnica tornou possível captar o comportamento ondulatório dos átomos com uma resolução sem precedentes. Na imagem resultante, átomos individuais se comportam como partículas, na forma de minúsculos pontos. Quando se transformam em ondas, os pontos tornam-se maiores e mais espaçados. "Ao variar a propagação inicial do momento de pacotes de onda a partir de um único átomo, observamos dinâmicas que estão em concordância quantitativa com as previsões da equação de Schrödinger", explicam os especialistas em seu artigo.

Esses resultados podem ter implicações significativas para futuras pesquisas em mecânica quântica, permitindo-nos estudar o comportamento de átomos individuais em mais detalhes. De acordo com os pesquisadores, seu método pode ser aplicado para observar a função de onda em um sistema de muitos corpos. Sistemas de muitos corpos são usados para modelar o comportamento dinâmico de corpos rígidos e/ou flexíveis conectados entre si por ligações mecânicas.

Em última análise, a pesquisa poderia levar à descoberta de novas propriedades da mecânica quântica, o que poderia melhorar o desempenho em computação quântica e ciência dos materiais. Além disso, a observação in situ do comportamento quântico dos átomos poderia levar ao desenvolvimento de novas tecnologias de sensores ultraeficientes baseadas na observação de estados quânticos de partículas.