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Efeito quântico que torna a matéria invisível é demonstrado pela primeira vez

·4 min de leitura

Um efeito bizarro previsto na década de 1990 foi observado agora por três equipes independentes, ao realizarem um experimento que parece contrariar não apenas a "lógica" do comportamento dos átomos, como também a própria maneira como entendemos o mundo. Eles esfriaram e condensaram uma nuvem de gás até ela se tornar transparente. Os cientistas afirmam que se conseguirem se aproximar ainda mais do zero absoluto, a nuvem será completamente invisível.

O senso comum diz que quanto mais denso uma nuvem, mais opaca ela se torna. Podemos observar isso na própria natureza, ao constatar que quando mais espessas e densas as nuvens de uma tempestade, menos luz solar consegue atravessá-las. Mas, de acordo com o novo experimento, se essas nuvens se tornarem muito densas e tiverem a temperatura reduzida para algo próximo do zero absoluto (-273,15 °C), ela será totalmente transparente e não bloqueará nenhuma luz do Sol.

Isso ocorre graças a algo conhecido como princípio de exclusão de Pauli, postulado em 1925, no qual um elétron não pode passar para um orbital mais interno, de energia mais baixa, se este orbital já estiver ocupado (orbitais são regiões na eletrosfera do átomo onde há maior probabilidade de se encontrar um elétron, também conhecidas como nuvem de probabilidades). Partículas com o mesmo estado quântico não podem existir no mesmo espaço.

Quando a luz penetra em um material, como uma nuvem, os fótons interagem com um "enxame" de átomos, fazendo com que as partículas se choquem e se espalhem, mais ou menos como bolas de bilhar. Com isso, os fótons são espalhados em todas as direções, e graças a esse efeito a matéria é visível — a luz é espalhada de modo que também chega aos nossos olhos.

Laser azul usado por um dos experimentos para detectar o aumento da transparência do gás (Imagem: Reprodução/Christian Sanner/Ye labs/JILA)
Laser azul usado por um dos experimentos para detectar o aumento da transparência do gás (Imagem: Reprodução/Christian Sanner/Ye labs/JILA)

Átomos em uma nuvem de gás têm espaço o suficiente para "pular", ou seja, há bastante níveis de energia desocupados para eles entrarem, de modo que não se impeça muito de seu movimento. Qualquer átomo de uma nuvem quente poderá interagir com um fóton de luz, recuando para um nível de energia diferente e espalhando o fóton.

Mas se os átomos da nuvem de gás estiverem suficientemente frios (o frio é quando as partículas perdem momento, ou seja, energia cinética, e movem-se mais lentamente) e comprimidos uns contra os outros, ficam incapazes de se mover e a luz não consegue transmitir-lhes momento. Em outras palavras, o efeito de bolas de bilhar não ocorre porque elas estão "coladas" na mesa. Esse efeito foi chamado de bloqueio de Pauli.

Sem o efeito de bilhar, a luz não pode ser absorvida pelas partículas e não será espalhada. Sem o espalhamento, os fótons que chegam em nossos olhos não trazem informações daquela nuvem. "Um átomo só consegue espalhar um fóton se ele puder absorver a força de seu chute movendo-se para outra cadeira," disse Wolfgang Ketterle, usando outra analogia para explicar os orbitais dos elétrons. "Se todas as outras cadeiras estiverem ocupadas, ele não terá mais a capacidade de absorver o chute e espalhar o fóton. Assim, o átomo se torna transparente".

Na imagem abaixo, temos a analogia da cadeira representada. Cada pessoa representa um átomo, enquanto cada assento representa um estado quântico. Em altas temperaturas (a), os átomos são colocados aleatoriamente, de modo que cada partícula pode espalhar luz. Em baixas temperaturas (b), os átomos se aglomeram. Apenas onde há mais espaço perto da borda a luz pode ser espalhada.

(Imagem: Reprodução/Cortesia dos pesquisadores/MIT)
(Imagem: Reprodução/Cortesia dos pesquisadores/MIT)

Os pesquisadores dizem que se a temperatura for reduzida para ainda mais perto do zero absoluto, a nuvem será totalmente invisível. Infelizmente, isso não é nada simples de fazer — na verdade, os cientistas estão há muito tempo buscando modos eficazes de reduzir o calor (movimento) das partículas para chegar o mais perto possível do zero absoluto (já que o zero absoluto é impossível).

Mas seria incrível se a tecnologia humana permitisse reproduzir o experimento do bloqueio de Pauli com maior facilidade. Seria útil para os relógios atômicos e principalmente para os computadores quânticos, que usam os átomos como qubits (uma unidade de bit quântico). Os qubits são extremamente sensíveis à luz transportadora das informações quânticas. Com o bloqueio de Pauli, essa sensibilidade diminuiria e os estados quânticos dos átomos seriam mantidos por mais tempo.

Os três artigos que demonstraram o experimento foram publicados na revista Science.

Fonte: Canaltech

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