A produção de moléculas ultrafrias, mantidas a temperaturas próximas ao zero absoluto ou zero Kelvin (-273,15o), ocorre em muitas etapas e exige o uso de vários feixes de laser, além de equipamentos caros, que custam alguns milhões de dólares, disponíveis em poucos laboratórios no mundo. Esse quadro pode começar a mudar. No Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da Universidade de São Paulo (USP), a equipe de Luis Marcassa desenvolveu uma estratégia mais simples de resfriar moléculas – os físicos se interessam por elas porque permitem testar propriedades fundamentais das partículas, realizar operações de computação quântica e tentar otimizar as reações químicas. Com um feixe de laser e aparelhos que, juntos, somaram US$ 150 mil, o grupo da USP gerou moléculas de dois átomos de rubídio à temperatura de 10 microKelvin (10 milionésimos de grau acima do zero absoluto).
A novidade está na forma de resfriar as moléculas. Os experimentos anteriores usavam um feixe de laser para reduzir a velocidade de moléculas até quase pará-las. A freada as faz perder energia e vibrar menos (quanto menor a vibração, mais baixa a temperatura), mas exige a ação de mais feixes de laser e de outras técnicas para controlar a rotação das moléculas. Marcassa e sua equipe tiveram a ideia de resfriá-las aproveitando uma propriedade do mundo das partículas: a tendência de se manterem sempre com o nível mais baixo de energia possível.
Em um primeiro momento, eles começaram usando o laser para fornecer energia às moléculas. Isso as torna excitadas e as faz vibrar mais. Na sequência, porém, elas perdem energia emitindo luz e voltam para um estado menos energético, às vezes de energia inferior ao do estado inicial. Com base em cálculos do grupo de Olivier Dulieu, da Universidade Paris-Sud, na França, a equipe da USP repetiu o procedimento quase 20 vezes, diminuindo progressivamente a energia fornecida às partículas até que elas quase não vibrassem mais. Com a estratégia, foi possível baixar a temperatura de 74% das 10 mil moléculas de rubídio, relataram os pesquisadores em um artigo publicado em março na Physical Review Letters. “O experimento funcionou como prova de princípio. Espero que estimule outros grupos a tentar reproduzi-lo”, conta Marcassa.
A estratégia reduziu a vibração das partículas, mas só parcialmente a rotação. “É um método mais simples do que os anteriores e uma alternativa interessante”, afirma o físico Marcio Miranda, da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), que participou da produção das primeiras moléculas ultrafrias, em 2008, nos Estados Unidos. “Ainda é preciso melhorar o controle sobre a rotação das moléculas.”
Projeto
Manipulation of atomic collisions in optical traps (nº 13/02816-8); Modalidade Projeto Temático; Pesquisador responsável Luis Gustavo Marcassa (IFSC-USP); Investimento R$ 1.487.738,55.
Artigo científico
PASSAGEM, H. F. et al. Continuous loading of ultracold ground-state 85Rb2 molecules in a dipole trap using a single light beam. Physical Review Letters. 26 mar. 2019.
