Átomos Gêmeos

Resumo:

David Bohm propôs [1] que um par de átomos originados da fragmentação de uma molécula, correspondente a uma par de partículas de spin ½, poderia ser usado para implementar o famoso experimento de pensamento de Einstein, Podolsky e Rosen (EPR) [2]. O projeto “Átomos Gêmeos: Experiência e Teoria” consiste na análise das condições para manter a coerência de spin entre dois fragmentos atômicos resultantes de um mesmo estado molecular, um par EPR. Mas é uma tarefa difícil obter estes pares, os “átomos gêmeos”, i.e., pares de partículas com massa que podem ser usados em experimentos similares aos rotineiramente feitos com “fótons gêmeos”.

A primeira parte do projeto consistiu em confirmar a possibilidade da realização de uma experiência real com átomos originários de uma mesma molécula, os átomos gêmeos, e como isso poderia ser feito. A molécula escolhida foi o H2, pela sua simplicidade. Após a dissociação, os estados finais precisavam ser estáveis ou metaestáveis (de vida longa) para que ocasionalmente pudessem ser polarizados, manipulados e analisados quanto ao emaranhamento. Foi escolhido o par de átomos metaestáveis H(2s). A excitação da molécula para um estado que leve a formação de dois átomos no estado final pode ser feita por radiação eletromagnética, elétrons ou íons. Como a dissociação do H2 no par de átomos metaestáveis H(2s) nunca tinha sido relatada na literatura, foi escolhida a excitação por elétrons para evitar as regras de seleção. Assim, um estudo sistemático e geral da produção de átomos no estado H(2s), incluindo os vários canais de dissociação da molécula de H2, foi realizado e medido por técnica de tempo de voo com alta resolução em energia [3,4]. Em seguida, para garantir que os dois átomos tivessem sido produzidos simultaneamente, eles foram medidos em coincidência. Essa medida foi inédita e com ela foi confirmada a viabilidade do experimento proposto [5]. Esta parte do trabalho foi realizada inicialmente no Laboratoire Aimé Cotton (LAC), da Université Paris XI, e posteriormente montada na Laboratório de Átomos Gêmeos (LAG), da UFRJ [6].

Na etapa seguinte, a proposta teórica é analisar a coerência entre os estados de estrutura hiperfina de átomos H(2s) utilizando um interferômetro Stern-Gerlach [7]. O Stern-Gerlach é um interferômetro atômico de polarização, onde a interferência é causada pela evolução do estado interno ou de spin sob ação de campos externos, elétricos ou magnéticos. Do ponto de vista semi-clássico, esses campos não são fortes o suficiente para modificar a trajetória dos átomos de forma apreciável, mas isso não implica que os movimentos externos não são afetados. Existem defasagens, que causam interferência. De modo geral, o interferômetro será formado por um polarizador, seguido de um divisor de feixe, um objeto de fase, outro divisor de feixe, um analisador e, finalmente, o detector. Um estudo teórico detalhado sobre a evolução de um átomo H(2s) no interferômetro Stern Gerlach está em andamento [8], e a construção do polarizador foi iniciada recentemente.

Este trabalho foi financiado pela CAPES, FAPERJ, CNPq e o acordo de colaboração científica CAPES/COFECUB entre a França e o Brasil.