Nanotecnologia

É mesmo possível colocar um átomo dentro do outro

Redação do Site Inovação Tecnológica -  02/03/2018

O elétron (azul) orbita o núcleo (vermelho) e sua órbita inclui muitos outros átomos do condensado Bose-Einstein (verde) - até 170 átomos cabem lá dentro.[Imagem: TU Wien]

Preenchendo o vazio da matéria

É bem sabido que, embora sejam o cerne da matéria sólida, os átomos são em sua maior parte espaços vazios, com os pequenos elétrons fazendo órbitas enormes em torno de núcleos também muito pequenos.

Isso fez muitos físicos levantarem a hipótese de que seria possível colocar um átomo pequeno dentro de outro, ocupando o espaço entre a órbita dos elétrons e o núcleo.

Francisco Camargo e seus colegas da Alemanha, Áustria, Brasil e EUA conseguiram mais do que isso: Eles colocaram vários átomos dentro de um átomo especial, no qual o elétron viaja muito distante do seu núcleo, essencialmente criando um novo estado da matéria que ainda precisará ser devidamente caracterizado.

Átomo que contém átomos

O "átomo expandido", ou átomo que contém outros átomos, foi obtido combinando dois campos muito especiais da física atômica, que só podem ser estudados em condições extremas: um condensado de Bose-Einstein e átomos de Rydberg.

Um condensado de Bose-Einstein é um estado de matéria criado por átomos em temperaturas criogênicas, perto do zero absoluto, quando então todos os átomos da amostra passam a se comportar como se fossem um só. Os átomos de Rydberg são átomos nos quais um único elétron é levado para um estado altamente energizado, o que o leva a orbitar o núcleo a uma distância muito grande.

Primeiro, um condensado de Bose-Einstein foi criado com átomos de estrôncio. Um laser foi então usado para transferir energia para um desses átomos de estrôncio, transformando-o em um átomo de Rydberg, com um raio atômico enorme, na faixa de centenas de nanômetros - mais de 1.000 vezes o raio do átomo normal.

Com isto, o raio da órbita em que o elétron se move ao redor do núcleo passou a ser muito maior do que a distância típica entre dois átomos no condensado de Bose-Einstein. Portanto, o elétron não orbita apenas seu próprio núcleo atômico, ele orbita também muitos outros átomos dentro de sua órbita.

Dependendo do raio do átomo de Rydberg e da densidade do condensado de Bose-Einstein, até 170 átomos de estrôncio podem ser inseridos dentro dessa enorme órbita eletrônica.

Este estado exótico da matéria é mais fundamental do que os chamados superátomos. [Imagem: Victor Medel/VCU]

Estado exótico da matéria

Curiosamente, os átomos contidos dentro da órbita dificilmente influenciam o caminho desse elétron de Rydberg.

"Os átomos não têm carga elétrica, portanto eles exercem uma força mínima no elétron," explicou o professor Shuhei Yoshida, membro da equipe. Contudo, ainda que em um grau muito pequeno, o elétron ainda sente a presença dos átomos neutros ao longo do seu caminho. Ele sofre um efeito de dispersão induzido pelos átomos neutros, mas que é pequeno demais para forçá-lo a deixar sua órbita. A física quântica dos elétrons lentos permite esse tipo de dispersão, que não transfere o elétron para um estado diferente.

Simulações de computador feitas com base nos resultados do experimento mostram que esse tipo de interação fraca diminui a energia total do sistema e, portanto, é criada uma ligação entre o átomo de Rydberg e os outros átomos dentro da órbita eletrônica. "É uma situação altamente incomum," disse Yoshida. "Normalmente, estamos lidando com núcleos carregados, ligando elétrons em torno deles. Aqui, nós temos um elétron vinculando átomos neutros".

A equipe chamou esse estado exótico da matéria, no qual a ligação é muito mais fraca do que a ligação entre os átomos de um cristal, de polarons de Rydberg - os polarons comuns, que são quasipartículas magnéticas só foram visualizados experimentalmente dois anos atrás.

Participaram deste experimento físicos das universidades Rice e Harvard, nos EUA, ETH de Zurique, na Suíça, Instituto de Estudos Avançados de São José dos Campos, no Brasil, Universidade de Viena, na Áustria e Instituto de Óptica Quântica, na Alemanha.

Bibliografia:

Creation of Rydberg Polarons in a Bose Gas
F. Camargo, R. Schmidt, J. D. Whalen, R. Ding, G. Woehl, S. Yoshida, Joachim Burgdörfer, F. B. Dunning, H. R. Sadeghpour, E. Demler, T. C. Killian
Physical Review Letters
Vol.: 120 (8)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.083401