Medir análogos gravitacionais de fenômenos quânticos poderia levar a medições de alta precisão das forças gravitacionais, de acordo com uma proposta teórica.
NIST
Micromuffins. As reentrâncias semelhantes a uma lata de muffin com 1 µm de largura neste dispositivo são junções Josephson. Estas estruturas podem ajudar a testar a consistência de certos princípios quânticos. Os teóricos propõem que dispositivos análogos construídos para observar átomos ultrafrios poderiam fornecer testes igualmente precisos para a física gravitacional.
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Micromuffins. As reentrâncias semelhantes a uma lata de muffin com 1 µm de largura neste dispositivo são junções Josephson. Estas estruturas podem ajudar a testar a consistência de certos princípios quânticos. Os teóricos propõem que dispositivos análogos construídos para observar átomos ultrafrios poderiam fornecer testes igualmente precisos para a física gravitacional.
As medições de dois fenômenos quânticos importantes – o efeito Corridor quântico e o efeito Josephson – fornecem alta precisão para testes das leis da eletricidade e do magnetismo e para determinações da constante de Planck. h e a carga do elétron e. Agora os pesquisadores propõem uma abordagem para obter benefícios semelhantes para a física gravitacional, explorando experimentos análogos envolvendo forças gravitacionais (1). Eles esperam que tais experimentos possam ser realizados nos próximos anos, permitindo testes mais rigorosos tanto da gravitação quanto da teoria quântica.
Em 2019, os pesquisadores adotaram uma nova convenção para unidades internacionais que envolvia a definição dos valores de várias constantes fundamentais, incluindo h e e (ver Matéria: Vivendo com a Nova SI). Estes valores fixos fazem agora parte das definições de unidades básicas como o ampere. Esta mudança também estabeleceu a importância da ligação direta entre os valores de h e e através do efeito Josephson e do efeito Corridor quântico.
Nestes dois fenômenos, os elétrons em um materials exibem coletivamente propriedades quânticas em resposta a baixas temperaturas e campos elétricos e magnéticos aplicados. As medições produzem valores para a constante de Josephson OkJ. = 2e/h e para a constante de von Klitzing ROk = h/e2. Juntamente com a medição direta da carga do elétron eesses experimentos – conhecidos como triângulo metrológico quântico elétrico – estabeleceram uma série de testes exigentes de consistência para os princípios quânticos por trás desses efeitos. O triângulo também pode ser usado para medir a precisão e calibração de equipamentos experimentais.
Instituto Nacional Alemão de Metrologia (PTB)
Micropizza. O efeito Corridor quântico, medido por este aparelho, já foi utilizado em experimentos que buscam melhorar os padrões fundamentais de medição de resistência elétrica.
Instituto Nacional Alemão de Metrologia (PTB)
Micropizza. O efeito Corridor quântico, medido por este aparelho, já foi utilizado em experimentos que buscam melhorar os padrões fundamentais de medição de resistência elétrica.
Infelizmente, estas relações não fazem menção à massa, nem envolvem as leis da gravidade e, portanto, não podem ser aplicadas à física gravitacional. Com o objetivo de corrigir esta lacuna, Claus Lämmerzahl, da Universidade de Bremen, na Alemanha, e Sebastian Ulbricht, do Instituto Nacional de Metrologia Alemão, mostraram agora teoricamente como um conjunto conceitualmente novo de experimentos pode estabelecer um triângulo metrológico gravitacional. Eles imaginam dois experimentos análogos.
No efeito Josephson, uma corrente oscilante flui entre dois supercondutores separados por um isolador quando uma tensão fixa é aplicada através do isolador. O análogo gravitacional envolveria um condensado de Bose-Einstein – um estado quântico coletivo de muitas partículas, que poderiam ser átomos ultrafrios. Os átomos ficariam presos dentro de uma câmara horizontal com um “piso” mais alto à esquerda e mais baixo à direita, de modo que a inclinação forneceria um “empurrão” gravitacional equivalente a uma voltagem aplicada. Haveria também uma colina estreita entre os dois lados, análoga ao isolador.
A solução quântica para este sistema, mostram os pesquisadores, exibiria uma corrente atômica oscilatória. A frequência da oscilação dependeria dos detalhes do experimento, mas seria proporcional a uma constante gravitacional de Josephson definida como Ok(g) = eu/hcom eu a massa dos átomos individuais.
No efeito Corridor quântico, um materials 2D frio está em um campo magnético forte e, se uma tensão aplicada mover os elétrons em uma determinada direção, uma tensão adicional aparecerá na direção perpendicular que é um múltiplo de ROk= h/e2. No análogo gravitacional, uma coleção de nêutrons ou átomos fluiria através de uma placa rotativa. No cenário gravitacional, observam os pesquisadores, o desvio transversal das partículas devido à rotação pode ser combatido inclinando ligeiramente a placa. A inclinação induziria uma força que retém partículas em um conjunto de estados quantizados. O espaçamento desses estados seria caracterizado por uma constante gravitacional de von Klitzing R(g) = h/eu2.
A equipe descobriu que esses dois experimentos poderiam ser combinados com medições diretas de massas de partículas para fornecer um conjunto de três resultados independentes envolvendo h e eu—um triângulo metrológico gravitacional. Se estas experiências puderem ser realizadas, diz Lämmerzahl, tal triângulo poderá ser usado para realizar uma variedade de testes fundamentais com maior precisão. Estas incluiriam testar o chamado princípio da equivalência fraca – a noção de que a gravidade faz com que todos os corpos caiam com a mesma aceleração, independentemente da composição. As medições também poderiam sondar se o valor de h derivado das correspondências de efeitos Josephson e quântico de Corridor que foram medidas por meio de experimentos puramente gravitacionais.
“Os experimentos propostos envolvem fenômenos instigantes na interface da mecânica quântica e da relatividade geral, e certamente estimularão mais experimentos nesta vanguarda da física em rápida evolução”, diz Wolfgang Schleich, da Universidade de Ulm, na Alemanha, que usa átomos frios. para testar a relatividade geral. Mesmo assim, ele vê o desafio como excepcionalmente difícil. “Espero estar errado. De qualquer forma, é importante não desistir”, afirma.
–Mark Buchanan
Mark Buchanan é um escritor científico freelance que divide seu tempo entre Abergavenny, no Reino Unido, e Notre Dame de Courson, na França.
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