Enzo Rocha Fotografia: Condensado de Bose-Einstein

Definição

O condensação de Bose-Einstein é um fenômeno quântico exótico que foi observado pela primeira vez em gases atômicos diluídos em 1995 e agora é objeto de intenso estudo teórico e experimental.

O condensado de Bose-Einstein é um estado único da matéria, existindo apenas a temperaturas próximas do zero absoluto, nas quais os átomos coalescem e exibem super fluidez porque compartilham o mesmo estado quântico.

O condensado de Bose-Einstein é um estado raro (ou fase) da matéria em que uma grande porcentagem de bósons entra em colapso em seu estado quântico mais baixo, permitindo que efeitos quânticos sejam observados em uma escala macroscópica. Os bósons entram em colapso neste estado em circunstâncias de temperatura extremamente baixa, próximo ao valor do zero absoluto (-273,15 ° C).

Sob tais condições, uma grande fração de bósons ocupa o estado quântico mais baixo, momento em que os fenômenos quânticos microscópicos, particularmente a interferência da função de onda, tornam-se aparentes macroscopicamente.

O que é o condensado de Bose-Einstein?

O condensado de Bose-Einstein surgiu em 1995 como um exemplo de um quinto estado incrivelmente frio da matéria, um superfluido.

Nosso universo é composto de gás, líquido, sólido e plasma, mas a física prevê outra forma de matéria que não existe naturalmente.

As partículas no condensado de Bose-Einstein têm a temperatura mais baixa possível, 0 graus Kelvin ou zero absoluto. Consequentemente, as partículas nesse estado exibem características únicas e até bizarras.

Em 1924, os físicos Satyendra Nath Bose e Albert Einstein teorizaram que esse outro estado da matéria deve ser possível. Einstein expôs as idéias de Bose sobre o comportamento da luz ao agir como ondas e partículas.

Ele aplicou as estranhas estatísticas que descreviam como a luz pode se unir em uma única entidade (agora conhecida como laser) e se perguntava como isso poderia impactar partículas com massa.

Mas eles passaram muitos anos com instrumentos sofisticados o suficiente para testar a teoria das partículas que se condensam em um novo estado.

Quando Carl Wieman e Eric Cornell resfriaram o rubídio-87 a bilionésimos de grau zero absoluto, nasceu o condensado de Bose-Einstein. Eles tiveram que ter cuidado e criatividade para resfriar essas partículas especiais, conhecidas como bósons, usando uma combinação de lasers e ímãs. Por seus esforços, eles foram recompensados com o Prêmio Nobel em 2001.

Ainda não podemos resfriar partículas de tal forma que seu movimento devido ao calor pare completamente (verdadeiro zero absoluto), mas levando-as a menos de um milionésimo de grau que Kelvin é suficiente para mostrar as propriedades do condensado de Bose-Einstein.

O que diferencia os bósons de outras partículas é seu “spin” inteiro, em oposição às partículas regulares. Os elétrons separados nos bósons compostos tendem a ocupar exatamente o mesmo nível de energia ao mesmo tempo, o que significa que os átomos se uniram na mesma entidade exata. Podemos olhar para esta única unidade e ver um ponto difuso, em vez de vários átomos separados.

Outros bósons, como o hélio-4, também podem ser forçados a um condensado de Bose-Einstein.

Quando os bósons colapsam suas identidades em uma única identidade, eles nos mostram visualmente a dualidade onda-partícula de uma nova maneira.

O condensado de Bose-Einstein, com sua semelhança com os lasers, poderia revolucionar certas tecnologias. Sua superfluidez característica significa que eles fluem sem perder energia por atrito, sendo uma fonte eficiente de energia.

No futuro, eles podem ser usados para gravar no nano-nível ou acelerar a matéria perto da velocidade da luz.

Teoria e descoberta

Os condensados de Bose-Einstein foram previstos pela primeira vez teoricamente por Satyendra Nath Bose (1894-1974), um físico indiano que também descobriu a partícula subatômica denominada por ele, o bóson.

Bose estava trabalhando em problemas estatísticos na mecânica quântica e enviou suas idéias para Albert Einstein. Einstein os considerava importantes o suficiente para publicá-los.

Tão importante quanto isso, Einstein viu que a matemática de Bose – mais tarde conhecida como estatística de Bose-Einstein – poderia ser aplicada tanto aos átomos quanto à luz.

O que os dois descobriram foi que, normalmente, os átomos precisam ter certas energias – de fato, um dos fundamentos da mecânica quântica é que a energia de um átomo ou outra partícula subatômica não pode ser arbitrária.

É por isso que os elétrons, por exemplo, têm “orbitais” discretos que eles precisam ocupar e por que emitem fótons de comprimentos de onda específicos quando passam de um orbital, ou nível de energia, para outro.

Mas resfrie os átomos a bilionésimos de grau de zero absoluto e alguns átomos começam a cair no mesmo nível de energia, tornando-se indistinguíveis.

É por isso que os átomos de um condensado de Bose-Einstein se comportam como “super átomos”. Quando se tenta medir onde estão, em vez de ver átomos discretos, vê-se mais uma bola difusa.

Todos os outros estados da matéria seguem o Princípio de Exclusão de Pauli, nomeado para o físico Wolfgang Pauli. Pauli (1900-1958) foi um físico teórico suíço e americano, nascido na Áustria e um dos pioneiros da física quântica, e diz que os férmions – os tipos de partículas que compõem a matéria – não podem estar em estados quânticos idênticos.

É por isso que, quando dois elétrons estão no mesmo orbital, seus spins precisam ser opostos para que eles somam zero. Essa, por sua vez, é uma das razões pelas quais a química funciona da mesma maneira e uma razão pela qual os átomos não podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo.

Os condensados de Bose-Einstein quebram essa regra.

Embora a teoria afirmasse que esses estados da matéria deveriam existir, não foi até 1995 que Eric A. Cornell e Carl E. Wieman, ambos do Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratório (JILA) em Boulder, Colorado, e Wolfgang Ketterle, do O Massachusetts Institute of Technology, conseguiu fazer um, pelo qual receberam o Prêmio Nobel de Física de 2001.

Em julho de 2018, um experimento a bordo da Estação Espacial Internacional resfriou uma nuvem de átomos de rubídio a dez milhões de graus acima do zero absoluto, produzindo um condensado de Bose-Einstein no espaço.

O experimento agora também detém o recorde do objeto mais frio que conhecemos no espaço, embora ainda não seja a coisa mais fria que a humanidade já criou.

Cientistas alemães produzem o primeiro condensado de Bose-Einstein com átomos de cálcio

Físicos do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Alemanha) conseguiram produzir um condensado de Bose-Einstein a partir do cálcio, elemento alcalino-terroso da terra.

O uso de átomos alcalino-terrosos cria um novo potencial para medições de precisão, por exemplo, para a determinação de campos gravitacionais.

O físico e vencedor do Prêmio Nobel Wolfgang Ketterle uma vez descreveu como uma “crise de identidade” dos átomos: se os átomos são pegos em uma armadilha e resfriados a uma temperatura próxima ao ponto zero absoluto, eles se condensam – semelhante ao vapor da água – e assuma uma condição totalmente nova: eles se tornam indistinguíveis.

Essa condição coletiva é chamada – nomeada por seus pais intelectuais – condensado de Bose-Einstein.

Os físicos do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) conseguiram, pela primeira vez em todo o mundo, produzir um condensado de Bose-Einstein a partir do cálcio alcalino-terroso.

O uso de átomos alcalino-terrosos cria um novo potencial para medições de precisão, por exemplo, para a determinação de campos gravitacionais.

Como, ao contrário dos condensados de Bose-Einstein anteriores dos átomos alcalinos, os metais alcalino-terrosos reagem um milhão de vezes mais responsivamente ao comprimento de onda nas excitações ópticas – um fato que pode ser usado para medições super-exatas.

Carl Wieman, Wolfgang Ketterle e Eric Cornell receberam o Prêmio Nobel de Física em 2001
por seu trabalho no condensado de Bose Einstein