É um prazer mostrar aqui o trabalho de um amigo meu. O primeiro autor desse artigo, Jon Prance, está fazendo seu pós-doutorado aqui em Madison. Para o seu doutorado ele criou esse aparato fantástico.
Vamos começar explicando o que há de fantástico nele. Fenômenos quânticos são mais aparentes a temperaturas baixas. Ou seja, para estudar fenômenos como emaranhamento quântico e propridades tipo "gato de Schrodinger", além de construir aparatos como o computador quântico, é necessário alcançar-se temperaturas ultra-baixas. Logo, qualquer método de resfriamento recebe muita atenção.
Para utilizar propriedades de elétrons (como o seu spin) nesses experimentos, é necessário garantir que os elétrons estejam em baixas temperaturas (repare que os elétrons e átomos de um material podem estar a temperaturas diferentes!). Esse método desenvolvido por Prance e colegas na Universidade de Cambridge é particularmente elegante. Para entendê-lo melhor, veja o que significa distribuição de Fermi- Dirac no post anterior.
Pontos Quânticos
A principal característica do aparato contruído em Cambridge é o controle sobre o tamanho dos pontos quânticos.
Pontos quânticos são basicamente caixas quânticas feitas por eletrodos depositados sobre um sanduíche de semicondutor entre dois isolantes. Aplicando um campo elétrico perpendicular ao aparato (na figura abaixo seria um campo saindo do seu nariz e entrando no monitor), elétrons do semicondutor são trazidos para a interface com o isolante. Isso forma uma fina camada de elétrons nessa interface (chamada de Gás de Elétrons bidimensional - 2DEG).
Aplicando voltagens aos eletrodos (hastes metálicas) forma-se uma espécie de "parede" através da qual os elétrons não conseguem passar. Além disso, as portas de entrada e saída dessas caixas são controláveis também pela voltagem.
A última informação que vocês precisam antes de ir adiante é que quanto menor o ponto quântico, maior a separação entre dois estados acessíveis (duas vagas). Quem estudou Física 4 (físicos, matemáticos, engenheiros, etc) deveriam saber disso!!! Isso vai ter um papel mais tarde.
Refrigerador
O refrigerador, mostrado na figura acima, é basicamente uma caixa grande no centro e três caixinhas menores que servem como portas.
Como a caixa central é muito grande, a separação entre duas vagas consecutivas nessa caixa é muito pequena. Dessa maneira, elétrons com qualquer energia podem entrar e sair dessa caixa.
Já as caixas que servem de porta são muito pequenas. Dessa maneira, ajustando o potencial químico desse ponto quântico podemos selecionar elétrons com uma energia específica.
Agora vem a operação. Desconsidere por enquanto o ponto de cima. Um pequeno viés é aplicado de maneira que uma corrente corra através do ponto da direita para a caixa do centro e depois para o ponto da esquerda.
O ponto da direita é ajustado com o potencial químico um pouco abaixo da energia de Fermi do ponto central. Com isso, somente elétrons com energia baixa entram na caixa central. Elétrons de energia mais alta não passam pelo ponto quântico devido ao Bloqueio de Coulomb (post anterior).
O ponto da esquerda é ajustado para ficar com a energia um pouco acima da energia de Fermi. Com isso só elétrons "quentes" saem do ponto quântico.
Como há certa simetria na distribuição de Fermi-Dirac em torno da energia de Fermi, a quantidade de elétrons na caixa não se altera muito. Ou seja, a cada um elétrons energético que sai, um elétron "frio" entra.
Espertinho, né? Mas como confirmar que a temperatura realmente baixou? Aí entra o terceiro ponto. Subindo e descendo o seu potencial químico podemos verificar a ocupação de cada energia. Se ele o potencial químico do ponto quântico de cima estiver muito maior do que o alargamento da distribuição de Fermi-Dirac, nenhuma corrente sai do ponto central. Se gradativamente baixarmos essa barreira, a corrente começa aumentar até alcançar o seu valor máximo, quando o potencial químico do ponto quântico de cima está na região de energia ocupadas na caixa central.
Com esse esquema, eles foram capazes de alcançar quase a metade da temperatura dos elétrons ambientes, chegando a menos de 0.2 K. Tudo indica que temperaturas ainda menores foram alcançadas, mas nesse regime os dados não se ajustaram adequadamente ao modelo teórico empregado para descrever esse experimento.
Não é fácil encontrar um elétron na geladeira__________________________________________________
Para ver alguém que entende do assunto falando:
http://physics.aps.org/articles/v2/27
Para ver o artigo original:
http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PRLTAO000102000014146602000001&idtype=cvips&gifs=yes&ref=no
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