Física Quântica 46 - Condensados Bose-Einstein

 

Condensados Bose-Einstein

por Osvaldo Pessoa Jr.

No texto “Quatro aspectos essenciais da física quântica”, mencionamos que uma das características fundamentais da Física Quântica é o peculiar comportamento estatístico das partículas quânticas.

E que há duas variedades de comportamento, dependendo se o “spin” da partícula tem valor inteiro (0,1, 2), caso em que são chamados “bósons”, ou semi-inteiro (1/2, 3/2, etc.), quando são chamados “férmions”.

A estatística dos bósons foi desenvolvida em 1924 pelo físico indiano Satyendra Nath Bose, ao estudar o trabalho que inaugurou a física quântica, escrita por Max Planck em 1900.

Bose introduziu uma maneira diferente de contar os estados dos fótons (os quanta de luz), obtendo o mesmo resultado de Planck. Não conseguiu publicar seu trabalho, e portanto resolveu enviá-lo para Albert Einstein, que percebeu seu valor, traduziu-o para o alemão, e garantiu sua publicação.

Einstein começou a explorar a ideia de Bose, e obteve um resultado teórico surpreendente: um conjunto relativamente denso de partículas materiais de um gás, de spin inteiro, quando resfriadas a temperaturas baixíssimas, passam todas a ocupar o mesmo estado quântico.

Muitos físicos não aceitaram o resultado, e o próprio Einstein não voltou a tratar do assunto.

Em 1937, físicos em Moscou (Kapitza) e em Toronto (Allen & Misener) descobriram que o gás hélio, quando resfriado abaixo de 2 graus kelvin, passa a se comportar como um “superfluido”, subindo pelas paredes de um recipiente sem apresentar viscosidade.

A figura abaixo mostra o hélio superfluido jorrando para fora de um recipiente, ao ser aquecido por uma lanterna. Essa foto foi feita por Jack Allen, um dos co-descobridores da superfluidez.

No ano seguinte, Fritz London relacionou o fenômeno com os condensados de Bose-Einstein, que descreveu como uma “função de onda macroscópica”. Na verdade, o hélio superfluido é uma mistura de um condensado de Bose-Einstein com um líquido usual.

A teoria dos condensados avançou muito, mas só em 1995 é que se produziram os primeiros condensados de Bose-Einstein gasosos puros. Por esta descoberta, Eric Cornell & Carl Wieman, do Colorado, e Wolfgang Ketterle, do MIT em Boston, receberam o prêmio Nobel de 2001.

Cornell & Wiemann resfriaram átomos de rubídio a 170 nanokelvin (muito frio!). Na figura abaixo, obtida por Ketterle, vemos as fotografias das sombras de um condensado em formação, transformadas em um gráfico colorido abaixo, indicando a densidade de átomos dentro de um volume com lado medindo um milímetro.

O número total de átomos é 700 mil. O condensado ainda não se formou à esquerda; na figura central ele começa a se formar, e aparece com clareza no lado direito.

Alguns consideram o condensado de Bose-Einstein como o quinto estado da matéria, junto com sólido, líquido, gás e plasma.

Outros, como o físico brasileiro Vanderlei Bagnato – que trabalha na USP de São Carlos, onde se faz muita pesquisa com condensados de Bose-Einstein –, não gostam de chamá-los “o quinto estado da matéria”.

Bagnato considera que os condensados permitem uma “visualização” da função de onda quântica PSI (ou melhor, do seu módulo quadrado) ao longo do espaço, já que cada átomo se encontra no mesmo estado quântico. 

Pode-se dizer que as funções de onda dos átomos se superpõem de forma que as partículas perdem sua individualidade (“Individualidade de partículas quânticas”.

A amostra como um todo passa a ser tratada como um único objeto quântico, com propriedades de coerência bem definidas.

Dois desdobramentos da produção de condensados de Bose-Einstein podem ser mencionados.

Em 1996, Ketterle obteve pela primeira vez um “laser de matéria”, que consiste de um feixe de átomos com propriedades ondulatórias de coerência semelhantes ao de uma luz laser.

O laser de matéria pode também ser usado para a formação de hologramas. Retiramos as imagens seguintes do site do Instituto Max Planck de Munique.

À esquerda vemos a imagem de um laser de átomos contínuo, e à direita a interferência entre dois feixes semelhantes.

O outro desdobramento se iniciou com Randall Hulet, de Houston, Texas, que estudou a condensação em gases cujas moléculas se atraem. Ele descobriu que, em certas condições, o condensado pode sofrer uma implosão seguida de uma grande explosão (lembrando uma supernova em estrelas).

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