Física de Precisão Ganha Nova Fronteira com Captura de Molécula Estável em Armadilha Ultracold

Pesquisadores do Departamento de Física Molecular do Instituto Fritz Haber (FHI) alcançaram um marco significativo ao orquestrar a primeira armadilha magneto-óptica (MOT) para o monofluoreto de alumínio (AlF), uma molécula estável de camada fechada. Este feito representa uma evolução notável na manipulação da matéria no regime ultracold, abrindo um novo caminho para a física molecular. O avanço foi aceito para publicação no periódico Physical Review Letters e já está disponível no servidor de pré-impressão arXiv.

Durante quase quatro décadas, a comunidade científica tem se concentrado em preparar átomos neutros ultracold em armadilhas magneto-ópticas, o que possibilitou o desenvolvimento de tecnologias como relógios atômicos de alta precisão e protótipos de computação quântica. No entanto, a complexidade energética das moléculas sempre representou um obstáculo considerável. Até este momento, apenas moléculas reativas com elétrons desemparelhados, conhecidas como espécies de spin-dobuleto, haviam sido aprisionadas dessa maneira. A equipe do FHI, contudo, demonstrou o aprisionamento pioneiro de uma molécula de spin-singuleto, o AlF, cuja estabilidade advém de uma ligação química robusta que a torna quimicamente inerte.

Este empreendimento exigiu quase oito anos de dedicação, incluindo o desenvolvimento de tecnologia de ultravioleta profundo (deep-UV) e estudos espectroscópicos aprofundados. O AlF requer uma alta energia de aporte para sua quebra, o que historicamente forçou os cientistas a utilizar comprimentos de onda de laser no ultravioleta mais profundo para o resfriamento. Especificamente, o resfriamento do AlF demandou quatro sistemas de laser operando próximos a 227,5 nm, o menor comprimento de onda já empregado para aprisionar qualquer átomo ou molécula até a data. Essa proeza foi concretizada graças a inovações em tecnologia de laser e óptica, impulsionadas por uma colaboração estreita entre a academia e o setor industrial.

Uma capacidade singular demonstrada no experimento é o resfriamento e aprisionamento do AlF em múltiplos níveis quânticos rotacionais, com a equipe conseguindo alternar entre três desses níveis apenas ajustando as frequências dos lasers. Sid Wright, líder da equipe no FHI, manifestou a ambição de futuramente capturar o AlF a partir de uma fonte de vapor compacta e acessível, mencionando que testes iniciais indicam que o AlF resiste a colisões com as paredes do vácuo à temperatura ambiente. O sucesso, segundo o estudante de pós-graduação principal, Eduardo Padilla, é resultado de um esforço coletivo e da infraestrutura do Departamento de Física Molecular.

O resfriamento de matéria próximo ao zero absoluto tem sido um catalisador para a física, permitindo o foco no comportamento quântico, o que já culminou em descobertas como a supercondutividade. A implementação de ciclos de resfriamento via interação matéria-luz, após a invenção do laser, possibilitou atingir temperaturas na faixa de $10^{-3}$ a $10^{-6}$ K acima do zero absoluto, o regime ultracold. A capacidade de resfriar e aprisionar moléculas estáveis como o AlF promete impulsionar novas medições de precisão e o controle quântico molecular. Um aspecto particularmente promissor é a existência de um estado eletrônico metaestável de longa duração, que pode ser fundamental para alcançar temperaturas ainda mais baixas, expandindo o horizonte da espectroscopia de precisão e das simulações quânticas.