Físicos finalmente medem uma molécula teorizada há muito tempo feita de luz e matéria: WebCuriosos

Os físicos acabaram de captar a luz agindo como uma “cola” entre os átomos, numa espécie de molécula fracamente ligada.

“Conseguimos, pela primeira vez, polarizar vários átomos de forma controlada, criando uma força atrativa mensurável entre eles,” diz Físico da Universidade de Innsbruck, Matthias Sonnleitner.

Os átomos ligam-se para formar moléculas de diversas maneiras, todas envolvendo uma troca de cargas como uma espécie de “supercola”.

Alguns partilham os seus eletrões de carga negativa, formando ligações relativamente fortes, como os gases mais simples de dois átomos de oxigénio unidos que respiramos constantemente, com os hidrocarbonetos complexos encontrados flutuando no espaço. Alguns átomos atraem em virtude de diferenças na sua carga global.

Os campos eletromagnéticos podem alterar a disposição das cargas ao redor do átomo. Como a luz é um campo eletromagnético que muda rapidamente, uma chuva de fótons adequadamente direcionados pode empurrar os elétrons para posições que – em teoria – poderiam fazer com que eles se ligassem.

“Se você ligar agora um campo elétrico externo, essa distribuição de carga muda um pouco”, explica o físico Philipp Haslinger da Universidade Técnica de Viena (TU Wien).

“A carga positiva é ligeiramente deslocada em uma direção, a carga negativa ligeiramente na outra direção, o átomo de repente tem um lado positivo e um lado negativo, ele é polarizado.”

Haslinger, a física atômica da TU Wien, Mira Maiwöger, e colegas usaram átomos de rubídio ultrafrios para demonstrar que a luz pode de fato polarizar átomos da mesma maneira, o que por sua vez faz com que átomos neutros se tornem um pouco pegajosos.

“Esta é uma força atrativa muito fraca, então é preciso conduzir o experimento com muito cuidado para poder medi-la”, diz Maiwöger.

“Se os átomos têm muita energia e se movem rapidamente, a força atrativa desaparece imediatamente. É por isso que foi usada uma nuvem de átomos ultrafrios.”

A equipe prendeu uma nuvem de cerca de 5.000 átomos abaixo de um chip revestido de ouro, em um único plano, usando um campo magnético.

Foi aqui que eles resfriaram os átomos a temperaturas próximas zero absoluto (−273 °C ou −460 °F), formando um quasecondensado – então as partículas de rubídio começam a agir coletivamente e a compartilhar propriedades como se estivessem no quinto estado da matéria, mas não na mesma extensão.

Atingidos por um laser, os átomos experimentaram uma variedade de forças. Por exemplo, a pressão de radiação dos fótons que chegam pode empurrá-los ao longo do feixe de luz. Enquanto isso, as respostas dos elétrons podem atrair o átomo de volta para a parte mais intensa do feixe.

Para detectar a atração sutil que se pensa surgir entre os átomos nesta torrente de eletromagnetismo, os pesquisadores precisaram fazer alguns cálculos cuidadosos.

Quando desligaram o campo magnético, os átomos caíram em queda livre por cerca de 44 milissegundos antes de atingirem o campo de luz laser, onde também foram fotografados usando microscopia de fluorescência de folha leve.

Durante o outono, a nuvem expandiu-se naturalmente, pelo que os investigadores puderam fazer medições em diferentes densidades.

Em altas densidades, Maiwöger e colegas descobriram que até 18% dos átomos estavam faltando nas imagens observacionais que estavam obtendo. Eles acreditam que estas ausências foram causadas por colisões assistidas pela luz, expulsando os átomos de rubídio da sua nuvem.

Isto demonstrou parte do que estava a acontecer – não era apenas a luz que entrava que influenciava os átomos, mas também a dispersão da luz pelos outros átomos. À medida que a luz tocava os átomos, dava-lhes uma polaridade.

Dependendo de que tipo de luz foi usadaos átomos foram atraídos ou repelidos por maior intensidade de luz. Então, eles foram puxados para a região de luz inferior ou para a região de luz superior – em cada caso, eles acabaram se acumulando.

“Uma diferença essencial entre as forças de radiação usuais e as [light triggered] interação é que esta última é uma interação partícula-partícula eficaz, mediada por luz espalhada”, Maiwöger e colegas escreva no papel deles.

“Ele não prende átomos em uma posição fixa (por exemplo, o foco de um feixe de laser), mas os atrai para regiões de densidade máxima de partículas.”

Embora esta força que reúne os átomos seja muito mais fraca do que as forças moleculares com as quais estamos mais familiarizados, em grandes escalas ela pode aumentar. Isto pode alterar os padrões de emissão e linhas de ressonância – recursos que os astrônomos usam para informar nossa compreensão dos objetos celestes.

Também poderia ajudar a explicar como as moléculas se formam no espaço.

“Na vastidão do espaço, pequenas forças podem desempenhar um papel significativo”, diz Haslinger.

“Aqui conseguimos mostrar pela primeira vez que a radiação eletromagnética pode gerar uma força entre os átomos, o que pode ajudar a lançar nova luz sobre cenários astrofísicos que ainda não foram explicados”.

Esta pesquisa foi publicada em Revisão Física X.