Condensado de Bose-Einstein

Condensado de Bose-Einstein (BEC) é um estado da matéria obtido quando um gás de átomos bosônicos extremamente rarefeito é resfriado a temperaturas próximas do zero absoluto. Quando a temperatura do gás atinge um valor crítico, os átomos condensam-se, dando origem a um único superátomo macroscópico, em que todos os átomos apresentam propriedades idênticas. Em 1925, a possibilidade de existência do condensado de Bose-Einstein foi prevista por Albert Einstein, depois de ter lido um importante artigo publicado pelo físico e matemático Satyendra Nath Bose.

Veja mais: Dualidade, emaranhamento e superposição – conheça algumas curiosidades da física quântica

Entendendo o condensado de Bose-Einstein

Para compreender a fundo o condensado de Bose-Einstein, é necessário um vasto conhecimento matemático da física estatística e da física quântica, por isso, no presente artigo, apresentaremos as teorias por trás do condensado de Bose-Einstein de forma qualitativa e simplificada, dentro dos limites possíveis, vamos lá?

Primeiramente é preciso saber o que é um bóson. Os bósons são partículas que apresentam spin inteiro, e os férmions apresentam spin fracionário. O spin, por sua vez, é uma característica da matéria, assim como a massa ou a carga elétrica. Além do spin, os bósons diferem-se dos férmions por serem indistinguíveis, uma vez que dois bósons são capazes de ocupar um mesmo estado de energia, passando a comportar-se como uma “única” partícula.

Geralmente os bósons são partículas “virtuais”, assim chamadas pelo fato de não apresentarem massa, no entanto, algumas partículas que têm massa podem comportar-se como férmions — um exemplo disso são os átomos formados por um número ímpar de férmions. Essa característica dos átomos foi o que tornou possível o surgimento do condensado de Bose-Einstein.

De acordo com a estatística de Bose, um apanhado de bósons pode ocupar o mesmo estado quântico, isso significa que todas as propriedades individuais dos átomos refletem-se no conjunto como um único “superátomo”. Partindo dessa teoria, Einstein generalizou tal lógica, imaginando que a estatística de Bose pudesse ser aplicada nos férmions de spin inteiro, como é o caso do ⁴He (Hélio-4) e de vários outros isótopos da Tabela Periódica.

Embora tivesse previsto a possibilidade da existência do condensado de Bose-Einstein, Einstein jamais chegou a confirmá-la. A obtenção do primeiro BEC só foi possível em 1995, por meio de um experimento que envolvia a condensação de um gás de ⁸⁷Rb (Rubídio-87). A produção do primeiro condensado de Bose-Einstein logrou o prêmio Nobel de Física para os físicos Eric Cornell, Carl Wieman e Wolfgang Ketterle.

Como é feito o condensado de Bose-Einstein

O condensado de Bose-Einstein tem dois ingredientes fundamentais: um gás de átomos bosônicos e uma temperatura extremamente baixa. O gás é mantido em uma câmara, e sua densidade deve ser próxima de 10¹² átomos por cm³. A baixa densidade é necessária para que o gás não se torne líquido ou sólido durante o processo de resfriamento.

O resfriamento do gás é a parte mais engenhosa e complexa de toda a produção do BEC. Uma vez que o condensado não pode ser feito sob qualquer superfície, pois isso o tornaria líquido ou sólido, o resfriamento não pode ser feito pelos métodos convencionais de criogênia. Nesse caso, o gás é resfriado por meio de lasers. Os lasers, nesse primeiro momento, atuam “rebatendo” os átomos de volta para o centro do recipiente.

Como a temperatura diz respeito à energia cinética dos átomos, os fótons dos lasers são emitidos com uma frequência um pouco mais baixa que os níveis de energia discretos dos átomos do gás. Os átomos que se afastam do centro do recipiente, e movem-se em direção às fontes de laser, percebem os fótons com frequências ligeiramente maiores que sua frequência real, devido ao efeito Doppler, e, por isso, absorvem esses fótons, ganhando velocidade no sentido oposto, voltando, assim, ao centro do recipiente.

O processo de resfriamento é feito por meio de seis feixes de laser que apontam nas três direções do espaço, e a frequência dos fótons é reduzida à medida que o gás resfria e condensa-se em espaços cada vez menores. Por meio dessa técnica, é possível obter-se temperaturas próximas de 10^-7 K.

A última etapa do resfriamento foi desenvolvida por Cornell e Wieman e permitiu a obtenção do estado conhecido como condensado de Bose-Einstein. O método consistia em utilizar um campo magnético fraco para aprisionar os átomos, em seguida, esse campo magnético era desligado e os átomos mais “quentes” escapavam, assim como acontece na ebulição da água, fazendo com que o condensado esfriasse cada vez mais, até a incrível marca de 50 nK (5.10^-8K).

Veja também: Computador quântico – máquina que consegue usar informações contidas em partículas

Para que serve o condensado de Bose-Einstein?

Por meio do condensado de Bose-Einstein, os físicos conseguiram observar efeitos quânticos no mundo macroscópico, um fato nunca antes observado e que se imaginava impossível. Além disso, como todos os átomos do condensado de Bose-Einstein encontram-se na mesma energia, ao desmanchá-lo, é possível produzir feixes de laser atômico de grande coerência. Essa característica dos condensados pode promover o avanço de uma importante área emergente da tecnologia, a nanolitografia, que diz respeito à fabricação de circuitos, dispositivos e até mesmo de robôs na escala nanométrica, isto é, de tamanho comparável ao dos átomos.

Crédito da imagem

[1] Commons