PARA ENCONTRAR ALGUNS dos objetos mais frios do universo, você não precisa ir muito além da universidade local. Lá, um físico pode estar usando luz laser e ímãs para resfriar átomos abaixo de impressionantes –450 Fahrenheit. Eles podem usar esses átomos ultrafrios para detectar até mesmo os campos magnéticos mais fracos da sala, ou para construir um relógio com precisão de um quatrilionésimo de segundo. Mas eles provavelmente não poderiam levar esses sensores ou relógios para fora do laboratório, pois tendem a ser grandes e frágeis.

Agora, uma equipe de físicos da Universidade de Nottingham mostrou que a impressão 3D de peças para esses experimentos quânticos ultrafrios lhes permite encolher seus aparelhos para apenas um terço do seu tamanho normal. Seu trabalho, publicado na revista  Physical Review X Quantum  em agosto, poderia abrir a porta para uma maneira mais rápida e acessível de fazer configurações menores, mais estáveis ​​e personalizadas para experimentos.

Por obedecerem às regras da mecânica quântica, os átomos extremamente frios apresentam comportamentos novos e úteis. “Os átomos ultrafrios são uma tecnologia chave usada em muitos instrumentos de precisão diferentes”, diz John Kitching, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia que não esteve envolvido no estudo.

“Átomos ultrafrios são excelentes sensores de tempo. São excelentes sensores do que chamamos de forças inerciais, ou seja, aceleração e rotação. São excelentes sensores de campos magnéticos. E são excelentes sensores de vácuo”, acrescenta seu colega Stephen Eckel, que também não esteve envolvido no trabalho.

Conseqüentemente, os físicos há muito procuram usar dispositivos de átomos ultrafrios em ambientes que vão desde a  exploração espacial , onde poderiam ajudar na navegação, detectando mudanças na aceleração de um veículo, até a hidrologia, onde poderiam identificar a água subterrânea, detectando sua atração gravitacional acima do solo. No entanto, o processo de resfriar os átomos o suficiente para realizar qualquer uma dessas tarefas costuma ser complexo e árduo. “Tendo passado muito tempo como experimentalista de átomos frios, fico sempre muito frustrado por passarmos todo o nosso tempo a resolver problemas técnicos”, diz Nathan Cooper, físico da Universidade de Nottingham e um dos co-autores do estudo.

A chave para resfriar e controlar os átomos é atingi-los com luz laser bem ajustada. Átomos quentes voam a velocidades de centenas de quilômetros por hora, enquanto  átomos extremamente frios  ficam quase imóveis . Os físicos certificam-se de que cada vez que um átomo quente é atingido por um feixe de laser, a luz atinge-o de tal forma que o átomo perde alguma energia, abranda e fica mais frio. Normalmente, eles trabalham em uma mesa de 1,5 por 2,5 metros coberta por um labirinto de espelhos e lentes – componentes ópticos – que guiam e manipulam a luz enquanto ela viaja em direção a milhões de átomos, muitas vezes rubídio ou sódio, que são mantidos em um recipiente especial. câmara de ultra-alto vácuo. Para controlar onde estão todos os átomos ultrafrios nesta câmara, os físicos usam ímãs; seus campos funcionam como cercas.

Em comparação com aceleradores de partículas com quilômetros de extensão ou grandes telescópios, essas configurações experimentais são pequenas. No entanto, eles são grandes e frágeis demais para se tornarem dispositivos comercializáveis ​​para uso fora dos laboratórios acadêmicos. Os físicos muitas vezes passam meses alinhando cada pequeno elemento em seus labirintos ópticos. Mesmo uma pequena sacudida nos espelhos e nas lentes – algo que provavelmente acontecerá em campo – significaria atrasos significativos no trabalho. “O que queríamos tentar fazer era construir algo que fosse muito rápido de fazer e que, esperançosamente, funcionasse de forma confiável”, diz Cooper. Então ele e seus colaboradores recorreram à impressão 3D.

O experimento da equipe de Nottingham não ocupa uma mesa inteira – tem um volume de 0,15 metros cúbicos, o que o torna um pouco maior do que uma pilha de 10 caixas grandes de pizza. “É muito, muito pequeno. Reduzimos o tamanho em cerca de 70%, em comparação com uma configuração convencional”, afirma Somaya Madkhaly, estudante de pós-graduação em Nottingham e primeira autora do estudo. Para construí-lo, ela e seus colegas se envolveram em algo como um jogo de Lego muito personalizável. Em vez de comprar peças, eles montaram sua configuração com blocos que imprimiram em 3D para ter o formato exatamente como queriam.

É importante ressaltar que a configuração miniaturizada funcionou. A equipe carregou 200 milhões de átomos de rubídio em sua câmara de vácuo e passou luz laser por todos os componentes ópticos, fazendo a luz colidir com os átomos. Os átomos formaram uma amostra mais fria que -450 Fahrenheit – exactamente como os cientistas fizeram com o tipo de aparelho mais convencional nos últimos 30 anos.

“Acho que construir um sistema de átomo frio como este é um grande passo. Apenas componentes individuais foram impressos em 3D antes”, diz Aline Dinkelaker, física do Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam, que não esteve envolvida no estudo. Se os experimentos anteriores eram como comprar um kit especial de Lego que permite construir uma nave espacial pré-projetada, a abordagem da equipe de Nottingham foi mais como projetar primeiro a nave espacial e depois imprimir em 3D os blocos que a compõem.

Um grande benefício do uso da impressão 3D é que você pode projetar cada componente de forma personalizada, observa Dinkelaker. “Às vezes você tem apenas um pequeno componente de formato estranho ou um espaço de formato estranho. Aqui, a impressão 3D pode ser uma ótima solução”, afirma.

Lucia Hackermuller, outra coautora do artigo, diz que fazer cada peça de acordo com suas próprias especificações permitiu a otimização. “Queremos ter o melhor projeto possível e o problema é que normalmente temos restrições de construção”, diz ela. “Mas se você usar métodos de impressão 3D, basicamente poderá imprimir qualquer coisa que imaginar.” Como parte desse processo de otimização, a equipe usou um algoritmo de computador desenvolvido para encontrar o melhor posicionamento para seus ímãs. Eles também trabalharam em cerca de 10 iterações de seus componentes impressos em 3D até aprimorá-los completamente.

O novo estudo é um passo em frente no sentido de tornar esta ferramenta para pesquisas fundamentais em física mais acessível e acessível. “Espero que isso acelere – e até certo ponto democratize – os experimentos padrão com átomos ultrafrios, tornando-os mais baratos e muito mais rápidos de configurar”, diz Cooper. Ele especula que se ficasse preso numa ilha deserta com apenas algumas lentes e espelhos, átomos de rubídio e uma impressora 3D, poderia passar do zero a um dispositivo totalmente funcional em cerca de um mês – cinco ou seis vezes mais rápido do que o habitual. Para Madkhaly, começar do zero pode não ser apenas um cenário imaginário. Depois de se formar, diz ela, ela poderá retornar ao seu país natal, a Arábia Saudita, e usar a impressão 3D para iniciar novas pesquisas sobre átomos ultrafrios. “Este é um campo muito novo lá”, acrescenta ela.

Kitching também prevê que estas ferramentas sejam utilizadas fora do meio académico, por exemplo, por empresas que fabricam sensores alimentados por energia quântica que captam campos magnéticos ou gravitacionais. Estas empresas podem não empregar cientistas treinados em física quântica, mas isso não importaria. Ele os imagina montando linhas de montagem nas quais os técnicos montariam os dispositivos a partir de componentes impressos em 3D. E se esses dispositivos fossem estáveis ​​o suficiente para funcionar sem ajustes constantes, os funcionários ainda poderiam usá-los com confiança.

Dispositivos atômicos ultrafrios comerciais poderiam, por exemplo, ser usados ​​por engenheiros civis, empresas de petróleo e gás, arqueólogos ou vulcanologistas para mapear melhor o terreno subterrâneo, com base na extrema sensibilidade dos átomos à gravidade. Os átomos ultrafrios também podem ser um ingrediente crucial para ferramentas de navegação que funcionam mesmo quando  os satélites GPS  estão fora de alcance. Relógios atômicos ultrafrios podem ser usados ​​para sincronizar redes de transporte ou telecomunicações, ou para proteger transações financeiras em situações em que cada troca ou comércio exige um carimbo de data/hora muito preciso.

Hackermueller e seus colegas também planejam continuar otimizando a configuração existente. “Achamos que ainda não exploramos totalmente todos os recursos da impressão 3D. Isso significa que nossa configuração poderia ser ainda menor”, ​​diz ela – eles acham que poderiam chegar a quase metade do tamanho atual. Diz Cooper: “Vamos ver quais são os limites do que você pode fazer com isso”.