Um estado da matéria que permite ver os efeitos da mecânica quântica, área da física que lida com as interações de partículas subatômicas. Essa é a definição do condensado de Bose-Einstein, que foi recentemente obtido em laboratório por pesquisadores do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (USP). Com o feito, os cientistas brasileiros se equiparam aos físicos norte-americanos Eric Allin Cornell e Carl Wieman, os primeiros a terem sucesso na empreitada, que lhes rendeu o prêmio Nobel de Física de 2001. O condensado brasileiro foi obtido com o uso de tecnologia quase inteiramente nacional.

A pesquisa que deu origem ao fenômeno – originalmente previsto pelo físico indiano Satyendra Nath Bose (1894-1974) e pelo físico alemão Albert Einstein (1879-1955) – começou em 2000 no Brasil, quando o Grupo de Óptica do instituto iniciou os experimentos com o gás de sódio. “Para se obter o condensado, é preciso resfriar um gás de elemento alcalino (grupo 1 da tabela periódica) até uma temperatura próxima do zero absoluto, ou zero Kelvin”, explica o físico Vanderlei Salvador Bagnato, coordenador do projeto e diretor do Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica da USP.

Embora o experimento tenha conseguido evidências do condensado, o uso do sódio se mostrou problemático em um processo tão delicado e com várias etapas que necessitam de ajuste fino. Por isso, em 2005, o grupo migrou para o um sistema que emprega gás de rubídio. “A estrutura para esse sistema é mais compacta e robusta, tornando-o mais flexível para se obter e estudar a condensação”, esclarece a física Kilvia Mayre Farias Magalhães, pós-doutoranda que faz parte do Grupo de Óptica.

Aparato usado para se obter um condensado de Bose-Einstein. O brilho vermelho, ao centro, é emitido pelos átomos aprisionados na armadilha magneto-ópitca, necessária para a realização do processo (imagem: acervo do Grupo de Óptica).

Duas armadilhas
Para obter o condensado, os pesquisadores primeiro tiveram que criar condições de vácuo, de maneira que o único elemento dentro da câmara fosse o rubídio e a pressão fosse suficiente para torná-lo gasoso à temperatura ambiente. Uma vez estabelecido o sistema, os feixes de três pares de lasers de diodo – os mesmos dos apontadores usados em palestras, só que mais potentes e desenvolvidos especialmente para experimentos como esse –, dispostos dois a dois em sentidos opostos, devem convergir no mesmo ponto do espaço, onde há um campo magnético que é aplicado simultaneamente.

Essa armadilha magnetoóptica aprisiona e resfria em torno de 1 bilhão de átomos de rubídio a uma temperatura de cerca de 140 microkelvin. “É importante entender que, nesse caso, essa temperatura representa o movimento das partículas atômicas aprisionadas. Ou seja, dentro da armadilha, quanto mais frio, menos movimento elas têm”, destaca Magalhães. “Em um gás clássico, à temperatura ambiente, os átomos estão se movendo desordenadamente, colidindo entre si e com as paredes do recipiente onde se encontram”, completa Bagnato.

O rubídio aprisionado é então transferido para uma armadilha magnética e os pesquisadores realizam o resfriamento evaporativo, que consiste em remover os átomos mais quentes da amostra aplicando radiofreqüência e, assim, reduzir ainda mais a temperatura. Em média, 22 segundos após a transferência para a armadilha magnética, os pesquisadores conseguem criar o condensado, que tem de 10 mil a 100 mil átomos – bem mais que os mil obtidos com sódio – e está a uma temperatura de 180 nanokelvin (um nanokelvin [nK] equivale a um bilionésimo de Kelvin).

“Temos de 30 a 40 segundos para formar o condensado após a transferência, pois a colisão dos átomos que não estão aprisionados na armadilha pode impedir a formação do estado de Bose-Einstein se o processo de evaporação levar mais tempo. Assim, é necessário estabelecer uma rota de evaporação que seja eficiente dentro do tempo disponível”, relata a pós-doutoranda.

Dois minutos
Desde a formação do primeiro condensado, o grupo vem repetindo o experimento todos os dias, sendo necessários cerca de dois minutos para se obter um novo condensado. Os dados coletados estão auxiliando em estudos quânticos e termodinâmicos, mas Bagnato afirma que o processo é relevante para vários campos da física.

“Mecânica estatística, matéria condensada e física nuclear são algumas das áreas que se beneficiam desse processo, que, na verdade, pode ajudar diversos campos a entenderem melhor seus fundamentos”, comenta o físico. Ele lembra que só o fato de se observar macroscopicamente um fenômeno quântico pode revelar novos fenômenos, como ocorreu com a descoberta da supercondutividade, que nunca foi prevista teoricamente, sendo primeiramente observada em laboratório. “Acho que ainda há surpresas no mundo próximo ao zero absoluto de temperatura”, sugere o coordenador.

Parte do orgulho dos pesquisadores vem do fato de terem usado o máximo possível de tecnologia nacional na empreitada, uma tradição do grupo. Com exceção de certos tipos de lasers, toda a infra-estrutura do experimento teve origem no Brasil. Para Bagnato, esse é um motivo de São Carlos ser hoje um pólo de óptica. “Ter o único laboratório em toda a América Latina trabalhando com esse sistema é um motivo de orgulho para nós e uma demonstração do potencial científico do nosso país”, conclui o físico.

Fred Furtado
Ciência Hoje/RJ 

 

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