Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China utilizaram uma propriedade especial de partículas atômicas conhecida como “spins escuros” para amplificar de forma inédita campos magnéticos fraquíssimos. A técnica amplificou o sinal do campo magnético em até 5 mil vezes, com altíssima precisão de 0,1 femtotesla (fT), ou seja, um bilionésimo de tesla (T).
Publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, o estudo promete uma revolução em diversas áreas, da física fundamental e ciência dos materiais até a ciência biomédica. Isso porque campos magnéticos fracos estão presentes em muitas coisas corriqueiras, como o funcionamento do cérebro e o comportamento de materiais exóticos.
Embora a amplificação quântica seja um meio reconhecidamente eficaz para aferir campos eletromagnéticos fracos, a técnica é normalmente limitada pelo próprio manuseio dos átomos gasosos, como a preparação dos spins, o tempo de coerência (manutenção da informação quântica) e a sensibilidade de leitura do sinal.
Como os cientistas melhoraram o manuseio de átomos gasosos?
Na nova técnica, a polarização por laser é separada dos demais processos.Fonte: Getty Images
Para superar as limitações das técnicas atuais, os autores propuseram um novo conceito de amplificação magnética, “usando spins nucleares de gás nobre escuro na ausência de luz da bomba”, ou seja, da polarização realizada por laser de alta frequência. A técnica tradicional utiliza um sistema misto de átomos gasosos de xenônio e átomos metálicos de rubídio.
Porém, ao contrário desses experimentos, que usam os átomos de xenônio para amplificar e os do rubídio polarizado por laser para ler o spin do núcleo do xenônio, a equipe atual decidiu separar os processos de polarização, amplificação e leitura. Com isso, puderam manipular algumas condições experimentais, como laser do átomo de rubídio e o campo magnético do xenônio.
O spin do núcleo do xenônio em estado escuro durante a amplificação quântica significa que esse giro nuclear (com estados “para cima” ou “para baixo”) ocorre em condições menos suscetíveis a interferências externas, como ruídos e interações com outros átomos. Isso garante a permanência da informação quântica (coerência) por mais tempo.
Que ganhos foram obtidos com o spin escuro de átomos gasosos?
A nova técnica pode aumentar a eficiência da ressonância magnética em diagnósticos.Fonte: Getty Images
O novo experimento permitiu que os pesquisadores atingissem um tempo de coerência de spin de xenônio no estado escuro de 6 minutos, o que é 10 vezes mais longo que os tempos anteriores. Com isso, houve também um ganho de 5,4 mil vezes na amplificação do sinal magnético fraco.
Combinando a amplificação de spin escuro com um magnetômetro atômico, foi possível a detecção de campos magnéticos em impressionantes níveis subfemtotéslicos, em uma medição única de 500 segundos, com aplicações potenciais na magnetocardiografia, magnetoencefalografia e ressonância magnética nuclear.