Viva o itérbio!
Os estados metaestáveis de longa duração encontrados em iões aprisionados abrem novas perspetivas para a computação quântica e os relógios atómicos
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Investigadores das Universidades de Amesterdão e de Nova Gales do Sul responderam a uma questão que se coloca há décadas: se os iões do metal itérbio podem entrar em determinados estados de longa duração e quase estáveis e, em caso afirmativo, por quanto tempo. Os estados de longa duração medidos poderão encontrar aplicações em computadores quânticos e relógios atómicos.
Dois iões Yb⁺ estão retidos numa armadilha iónica. Um dos iões é bombeado para estados metaestáveis através de um feixe de laser focado. O outro ião emite fluorescência de forma contínua e é utilizado para indicar a presença do ião «escuro» no estado metaestável, devido à sua posição descentrada na armadilha iónica. O tempo de vida do estado metaestável é medido através do registo do momento em que o ião «escuro» volta a emitir fluorescência.
UVA IoP
Muitos relógios atómicos e computadores quânticos modernos têm, no seu núcleo, os chamados iões aprisionados. Os iões, que são átomos com carga elétrica, podem encontrar-se em muitos estados diferentes, todos com quantidades de energia distintas. Devido à sua carga, estes iões podem ser suspensos no espaço vazio e mantidos no lugar através de campos eletromagnéticos. O funcionamento do relógio ou do computador depende, então, do controlo preciso do estado energético que esse ião ocupa.
Investigadores das Universidades de Amesterdão e de Nova Gales do Sul descobriram agora que o ião de itérbio (Yb⁺), um dos principais candidatos para ambas as tecnologias, pode permanecer em estados até agora inexplorados durante períodos de tempo surpreendentemente longos. No laboratório de Rene Gerritsma, no Instituto de Física da UvA, a equipa induziu um único ião Yb⁺ a entrar numa variedade de estados ditos metaestáveis (ou seja, quase estáveis), excitando-o com laser para um nível de energia elevado. A partir daí, o ião decaiu para estados de energia mais baixa, alguns dos quais se revelaram também metaestáveis, de tal forma que o ião demoraria muito tempo a regressar ao seu estado fundamental. Desta forma, a equipa registou sinais de decaimento correspondentes a tempos de vida de cerca de 1 segundo e 10 segundos e chegou mesmo a encontrar indícios de um estado com um tempo de vida superior a 30 segundos. Os resultados foram recentemente publicados na revista Physical Review A.
O doutorando Zeger Ackerman, primeiro autor da publicação, explica: «Para tornar as medições possíveis, não nos limitámos a aprisionar um único ião, mas, na verdade, aprisionámos dois iões em conjunto. Um deles destinava-se a medições espectroscópicas e o outro a arrefecer e estabilizar continuamente o sistema sem perturbar o estado metaestável em estudo. Isto permitiu-nos observar o ião a permanecer num estado metaestável e cronometrar com precisão o seu decaimento. Cálculos detalhados da estrutura atómica confirmaram então os resultados das medições.»
Os estados recentemente caracterizados poderão encontrar aplicações na computação quântica e nos relógios atómicos. Os investigadores estão particularmente entusiasmados com o estado com um tempo de vida de 1 segundo. Os cálculos mostram que este pode ser alcançado a partir do estado fundamental com relativa facilidade, utilizando apenas um único pulso de laser. O tempo de vida de 1 segundo e a intensidade prevista da transição sugerem que este estado poderá ser utilizado para melhorar significativamente a deteção de estados de bits quânticos (qubits) e dos seus análogos generalizados (os chamados qudits) em iões de itérbio.
No que diz respeito a este estado específico, a investigação responde a uma questão com trinta e cinco anos, colocada pelos físicos teóricos Fawcett e Wilson, que previram um tempo de vida de 5,2 segundos para o mesmo estado e solicitaram a confirmação experimental. Tendo em conta a complexidade da estrutura dos níveis de energia do Yb⁺, a sua previsão revelou-se bastante precisa!
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