Físicos de Stanford registram pela primeira vez saltos quânticos de energia sonora em experimento

Físicos da Universidade de Stanford registraram, pela primeira vez, a transição de energia do som em saltos discretos, confirmando experimentalmente uma previsão da mecânica quântica estabelecida há mais de um século. O estudo, liderado por Amir Safavi-Naeini e publicado na revista Science, comprova que a energia sonora não decai de forma gradual, mas sim por meio de mudanças abruptas entre estados, fenômeno conhecido como saltos quânticos.

Embora esse comportamento já tivesse sido verificado em fótons, em 2007, e em íons aprisionados, em 1986, o som resistia à detecção direta. Isso ocorre porque a vibração de objetos macroscópicos parece contínua aos sentidos humanos, enquanto, na escala quântica, a energia de um ressonador mecânico altera-se em passos definidos. A pesquisa conseguiu monitorar, em tempo real, o deslocamento de um único fonão — a unidade mínima de energia vibracional, que representa o movimento sincronizado de múltiplos átomos — entre diferentes níveis energéticos.

Tecnologia de detecção e precisão

Para viabilizar a observação, a equipe desenvolveu um ressonador mecânico em niobato de lítio, utilizando processos de fabricação semelhantes aos de chips eletrônicos. O dispositivo é microscópico, permitindo que diversas unidades sejam integradas em um único circuito.

O componente é capaz de vibrar por dois milissegundos. Apesar de breve para padrões humanos, esse tempo é proporcionalmente longo para um objeto dessa escala; se um diapasão tivesse a mesma proporção, vibraria por horas. Essa janela temporal possibilitou a realização de centenas de medições sucessivas, permitindo identificar o momento exato da transição de energia.

De acordo com o pesquisador Takuma Makihara, a detecção exigiu a criação de processos de fabricação específicos para garantir a longevidade da vibração e a integração do ressonador a um qubit (detector elétrico) sem comprometer a integridade de ambos os sistemas. O resultado foi a identificação de estados de um único fonão com 85% de precisão, registrando a oscilação entre o estado fundamental e o primeiro estado excitado do ressonador.

Impactos e aplicações futuras

A confirmação de que a descontinuidade quântica também governa as vibrações sonoras fornece a base para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas. A capacidade de controlar o som com precisão extrema abre caminhos para a melhoria de sensores quânticos e a correção de erros em computação quântica, onde saltos energéticos indesejados podem gerar falhas de cálculo.

Além disso, o sistema desenvolvido pode ser aplicado na detecção de proteínas no interior de células. No campo da eletrônica de consumo, Erik Szakiel, doutorando no laboratório de Safavi-Naeini, indica que esse controle refinado do som pode, futuramente, aprimorar a eficiência de componentes como microfones, alto-falantes e telefones celulares.