Pela primeira vez, físicos veem a formação de moléculas por meio de túnel quântico: WebCuriosos

Química exige esforço. Seja aumentando a temperatura, aumentando as chances de átomos compatíveis colidirem em uma colisão aquecida, ou aumentando a pressão e comprimindo-os, a construção de moléculas geralmente exige um certo custo em energia.

A teoria quântica fornece uma solução alternativa se você for paciente. E uma equipa de investigadores da Universidade de Innsbruck, na Áustria, viu finalmente o tunelamento quântico em ação numa experiência pioneira no mundo que mede a fusão de iões de deutério com moléculas de hidrogénio.

O tunelamento é uma peculiaridade do universo quântico que faz parecer que as partículas podem passar por obstáculos que normalmente são muito difíceis de superar.

Na química, esse obstáculo é a energia necessária para que os átomos se liguem entre si ou com moléculas existentes.

No entanto, a teoria diz que, em casos extremamente raros, é possível que átomos próximos façam um “túnel” através desta barreira de energia e se conectem sem qualquer esforço.

“A mecânica quântica permite que as partículas rompam a barreira energética devido às suas propriedades de onda da mecânica quântica, e ocorre uma reação,” diz primeiro autor Robert Wild, um físico experimental da Universidade de Innsbruck.

As ondas quânticas são os fantasmas que impulsionam o comportamento de objetos como elétrons, fótons e até mesmo grupos inteiros de átomos, confundindo sua existência antes de qualquer observação, de modo que não fiquem em um lugar preciso, mas ocupem um continuum de posições possíveis.

Esse desfoque é insignificante para objetos maiores, como moléculas, gatos e galáxias. Mas à medida que ampliamos as partículas subatômicas individuais, o leque de possibilidades se expande, forçando a sobreposição dos estados de localização de várias ondas quânticas.

Quando isso acontece, as partículas têm uma pequena chance de aparecer onde não deveriam estar, abrindo túneis em regiões que, de outra forma, exigiriam muita força para entrar.

Uma dessas regiões para um elétron pode estar dentro da zona de ligação de uma reação química, soldando átomos e moléculas vizinhas sem o choque de calor ou pressão.

Compreender o papel que o tunelamento quântico desempenha na construção e nos rearranjos de moléculas poderia ter ramificações importantes nos cálculos de liberação de energia em reações nucleares, como aquelas que envolvem hidrogênio em estrelas e reatores de fusão aqui na Terra.

Enquanto nós modelamos esse fenômeno por exemplos envolvendo reações entre uma forma de deutério com carga negativa – um isótopo de hidrogênio contendo um nêutron – e dihidrogênio ou H₂provar os números experimentalmente requer um nível desafiador de precisão.

Para conseguir isso, Wild e seus colegas resfriaram íons negativos de deutério a uma temperatura que os levou quase à paralisação antes de introduzir um gás feito de moléculas de hidrogênio.

Sem calor, era muito menos provável que o íon deutério tivesse a energia necessária para forçar as moléculas de hidrogênio a um rearranjo de átomos. No entanto, também forçou as partículas a permanecerem silenciosamente próximas umas das outras, dando-lhes mais tempo para se unirem através do túnel.

“Em nosso experimento, damos cerca de 15 minutos a possíveis reações na armadilha e depois determinamos a quantidade de íons de hidrogênio formados. A partir de seu número, podemos deduzir com que frequência uma reação ocorreu”, disse ele. Selvagem explica.

Esse número é pouco mais de 5 x 10^-20 reações por segundo ocorrendo em cada centímetro cúbico, ou em torno de um evento de tunelamento para cerca de cada cem bilhões de colisões. Então não muito. Embora o experimento respalde a modelagem anterior, confirmando uma referência que pode ser usada em previsões em outros lugares.

Dado que o tunelamento desempenha um papel bastante importante em uma ampla gama de reações nucleares e químicas, muitas das quais provavelmente ocorrerão nas profundezas frias do espaço, obter um controle preciso dos fatores em jogo nos dá uma base mais sólida para basear nossas previsões.

Esta pesquisa foi publicada em Natureza.