Um avanço no arrefecimento por laser: captura de uma molécula estável com luz ultravioleta profunda
O desafio de aprisionar moléculas quimicamente estáveis
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Investigadores do Departamento de Física Molecular do Instituto Fritz Haber demonstraram a primeira armadilha magneto-ótica de uma molécula estável de "casca fechada": o monofluoreto de alumínio (AlF). Conseguiram arrefecer o AlF com lasers e aprisioná-lo seletivamente em três níveis quânticos de rotação diferentes - abrindo novos caminhos na física ultra-fria. As suas experiências abrem a porta à espetroscopia de precisão avançada e à simulação quântica com AlF.
A configuração experimental: Armadilha magneto-ótica para arrefecimento a laser de monofluoreto de alumínio (AlF)
© FHI
Física ultra-fria: uma porta de entrada para a mecânica quântica
O arrefecimento da matéria a temperaturas próximas do zero absoluto (0 K, -273,15 °C) actua como um microscópio para o comportamento da mecânica quântica, tornando nítida a física que normalmente é desfocada. Exemplos históricos clássicos incluem a descoberta, em 1911, da supercondutividade no mercúrio metálico arrefecido a temperaturas próximas de 4 K e o comportamento térmico anómalo do hidrogénio molecular devido aos seus estados de spin "orto" e "para". Estes fenómenos confundiram as teorias da física clássica da época, impulsionando a evolução da mecânica quântica, bem como os esforços para atingir temperaturas cada vez mais baixas.
Após a invenção do laser, os físicos aperceberam-se de que os ciclos de arrefecimento podiam ser implementados através da interação da matéria com a luz. O efeito de uma partícula de luz individual (um "fotão") é minúsculo, mas quando acumulado muitos milhares de vezes num ciclo, o arrefecimento por laser torna-se extremamente poderoso: as temperaturas finais atingidas podem ser de cerca de um milésimo a um milionésimo de grau acima de zero Kelvin (10-3 - 10-6 K). Este regime é normalmente designado por regime ultra-frio.
Aprisionamento magneto-ótico
Há quase 40 anos que é possível preparar átomos neutros ultra-frios em "armadilhas magneto-ópticas". Aqui, múltiplos feixes laser de aprisionamento combinam-se com um campo magnético corretamente escolhido para confinar as partículas e arrefecê-las até cerca de um milésimo de grau acima da temperatura do zero absoluto. Esta técnica fundamental conduziu, por exemplo, aos actuais relógios atómicos ópticos, a protótipos de computadores e simuladores quânticos baseados em átomos e à observação de novas fases da matéria.
Há pouco mais de dez anos, os investigadores conseguiram arrefecer e aprisionar por laser uma molécula diatómica - o composto químico mais simples possível, mas já com uma estrutura energética muito mais complicada do que um átomo. Embora existam fortes motivações para levar as moléculas para o regime ultra-frio, esta complexidade representa um desafio considerável. Até agora, apenas algumas moléculas reactivas com electrões desemparelhados (frequentemente designadas por espécies de "spin duplo") foram colocadas em armadilhas magneto-ópticas.
O desafio de aprisionar moléculas quimicamente estáveis
No presente estudo, a equipa de investigação do Departamento de Física Molecular apresenta experiências que poderão revolucionar a física com moléculas ultra-frias: Demonstram a primeira armadilha magneto-ótica de uma molécula "spin-singlet", o monofluoreto de alumínio (AlF). O AlF tem uma ligação química extremamente forte, que, em combinação com outras propriedades, o torna quimicamente inerte quando comparado com todas as outras moléculas arrefecidas por laser. Graças às suas propriedades, é mais fácil de produzir com elevada eficiência no laboratório e é pouco provável que se perca em experiências ultra-frias através de reacções químicas.
Mas porque é que este passo inovador só está a ser dado agora? As moléculas que necessitam de muita energia para serem desintegradas também tendem a ter grandes intervalos de energia entre os seus estados electrónicos. Consequentemente, os comprimentos de onda do laser necessários para o arrefecimento são cada vez mais alargados para o ultravioleta, aumentando significativamente os desafios experimentais. O arrefecimento do AlF exigiu quatro sistemas laser, cada um com um comprimento de onda próximo dos 227,5 nm. Este comprimento de onda situa-se na zona do "ultravioleta profundo" do espetro e é o comprimento de onda mais curto utilizado até agora para aprisionar qualquer átomo ou molécula. A captura de AlF exigiu inovações na tecnologia laser e na ótica, para as quais foi essencial uma forte colaboração entre a indústria e o mundo académico.
A configuração dos electrões é importante
Não é apenas a sua estabilidade química que torna o AlF tão prometedor para a ciência quântica. Um outro aspeto único da experiência é o facto de o AlF poder ser arrefecido a laser e aprisionado em múltiplos níveis quânticos de rotação. A equipa do FHI foi capaz de alternar entre três níveis rotacionais diferentes na armadilha, bastando para isso afinar os comprimentos de onda do laser utilizado, e espera que níveis rotacionais mais elevados possam ser retidos com fontes moleculares diferentes das atualmente utilizadas. Esta caraterística distingue o AlF das outras moléculas arrefecidas por laser produzidas até à data: para estas moléculas, apenas um nível rotacional foi arrefecido e aprisionado, e a extensão a diferentes níveis rotacionais é muito mais difícil.
"Para nós, o sonho seria aprisionar AlF a partir de uma fonte de vapor compacta e barata, semelhante à utilizada para os átomos alcalinos", afirma Sid Wright, que se juntou ao projeto AlF em 2020 e lidera atualmente a equipa FHI. "Nas experiências iniciais, verificámos que o AlF pode sobreviver a colisões com paredes de vácuo à temperatura ambiente - mesmo termalizando - o que é altamente promissor."
Uma longa jornada no laboratório produz resultados promissores
Para atingir este marco, foram necessários quase oito anos de trabalho árduo no laboratório: primeiro, com o estudo detalhado das propriedades espectroscópicas do AlF, seguido do desenvolvimento e teste da tecnologia de UV profundo para a armadilha e, finalmente, o retardamento por laser e a própria armadilha magneto-ótica. "Foi um enorme esforço de equipa e os nossos resultados devem-se, em vários aspectos, ao fantástico ambiente de investigação, ao apoio técnico e aos recursos do Departamento de Física Molecular", afirma Eduardo Padilla, o principal estudante licenciado do projeto.
Os resultados recentes alargam as possibilidades da física molecular ultra-fria, e o AlF arrefecido a laser permitirá provavelmente novas medições de precisão e o controlo quântico das moléculas. Um aspeto particularmente interessante do AlF é a presença de um estado eletrónico "metaestável" de longa duração, no qual os spins dos electrões se combinam para formar o chamado "spin-tripleto". O estado metaestável pode ser alcançado a partir do estado fundamental através de outra transição ultravioleta, o que abre a porta a temperaturas ainda mais baixas.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
J. E. Padilla-Castillo, J. Cai, P. Agarwal, P. Kukreja, R. Thomas, B. G. Sartakov, S. Truppe, G. Meijer, and S. C. Wright; Magneto-optical trapping of aluminum monofluoride; Phys. Rev. Lett. - Accepted 17 October, 2025
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