Elétrons vivendo no limite podem desbloquear o poder perfeito: WebCuriosos

Sob as circunstâncias certas, os elétrons podem ser libertados da corrida desenfreada e do tráfego de alto estresse nas profundezas de um condutor, contornando seus limites. Lá, eles podem girar círculos sem esforço em uma corrente unidirecional e sem resistência.

Embora a teoria descreva os princípios básicos por trás desse fluxo de elétrons de “estado limite”, compreendê-lo bem o suficiente para desenvolver aplicações que possam explorar seus benefícios tem se mostrado um desafio graças ao seu comportamento pequeno e fugaz.

Num novo estudo, investigadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) usaram uma nuvem de átomos de sódio ultrafrios para substituir electrões – alcançando o efeito de estado limite e a física semelhantes, mas numa escala e duração suficientemente longas para lhes permitir estudar isso em detalhes.

“Em nossa configuração, a mesma física ocorre nos átomos, mas ao longo de milissegundos e mícrons”, diz físico Martin Zwierlein.

“Isso significa que podemos tirar imagens e observar os átomos rastejando essencialmente para sempre ao longo da borda do sistema.”

De acordo com o que é conhecido como efeito Hall, as tensões surgem quando um campo magnético é posicionado perpendicularmente a uma corrente. Há um versão quântica também desse efeito, onde em um espaço 2D plano, os elétrons se movem em círculos em relação aos campos circundantes.

Quando essa superfície 2D é a borda de um pedaço de uma classe de material “topológico”, os elétrons deveriam se acumular em posições precisas e se mover de forma quantizada, conforme previsto pela física quântica. Por mais comum que o fenômeno pareça ser, vincular as propriedades dos materiais à velocidade e direção do fluxo está longe de ser simples. As ações duram meros femtossegundos (quadrilionésimos de segundos), o que torna praticamente impossível estudá-las adequadamente.

Em vez de estudar elétrons, a configuração desta última investigação envolveu cerca de um milhão de átomos de sódio, colocados em posição usando lasers e reduzidos a um estado ultrafrio. Todo o sistema foi então manipulado para fazer com que os átomos se aproximassem da armadilha do laser.

Essa rotação, combinada com outras forças físicas atuando no átomo, simulou uma das principais condições para um estado limite: uma campo magnético. Um anel de luz laser foi então introduzido para atuar como a borda de um material.

À medida que os átomos atingiram o anel de luz, eles viajaram em linha reta e em uma única direção ao longo dele, como acontece com os elétrons em um estado limite. Mesmo os obstáculos introduzidos pelos pesquisadores não conseguiram desviar os átomos de sua rota.

“Você pode imaginar que são como bolinhas de gude que você girou muito rápido em uma tigela, e elas continuam girando e girando na borda da tigela”, diz Dois pequeninos.

“Não há atrito. Não há desaceleração e não há vazamento ou dispersão de átomos no resto do sistema. Há apenas um fluxo lindo e coerente.”

Os pesquisadores foram capazes de observar interações em seu sistema que correspondem às previsões teóricas anteriores para estados extremos, sugerindo que esses átomos podem de fato substituir elétrons nesses tipos de estudos – embora como esta seja a primeira vez que isso foi feito, ainda é primeiros dias.

Fenômenos como o efeito Quantum Hall estão intimamente ligados à supercondutividade e à ideia de transferir energia elétrica de forma mais eficiente, sem perda de calor. Essas descobertas também poderiam ajudar na pesquisa em computadores quânticos e sensores avançados.

“É uma realização muito clara de uma bela peça da física, e podemos demonstrar diretamente a importância e a realidade desta vantagem”, diz físico Richard Fletcher, do MIT.

“Uma direção natural é agora introduzir mais obstáculos e interações no sistema, onde as coisas se tornam mais pouco claras quanto ao que esperar”.

A pesquisa foi publicada em Física da Natureza.