O advento da física quântica no início do século passado foi, sem dúvida, uma das maiores revoluções científicas de todos os tempos. O novo olhar que ela trouxe em relação ao mundo que nos cerca não influenciou apenas a física, mas também muitas outras áreas do conhecimento, como a química, a biologia, além da filosofia e até as artes.

O maior impacto que a física quântica nos trouxe foi a modificação na forma como compreendemos a natureza na escala atômica.

Para isso foi necessária uma mudança de paradigma que nos levou a situações que podem parecer absurdas e antagônicas se vistas do ponto de vista que estamos habituados a usar – a visão da física clássica, regida pelas leis da mecânica newtoniana, da termodinâmica e do eletromagnetismo, que eram os pilares dessa disciplina até o final do século 19.

Na descrição microscópica proposta pela física quântica, alguns conceitos do nosso cotidiano devem ser mudados, como o de causa e efeito, partículas e ondas, tempo e energia.

Além disso, no estranho mundo quântico existem algumas entidades que não têm análogo com o mundo macroscópico e que, por isso, são de difícil compreensão, embora muitas delas estejam mais presentes no nosso cotidiano do que somos capazes de imaginar. Entre elas, talvez uma das mais fascinantes seja o spin, presente na aplicação de muitos fenômenos cotidianos.

Sistema planetário

Quando falamos em átomos, a maioria das pessoas pensa em um sistema planetário em miniatura, na qual o núcleo atômico positivo (constituído por nêutrons e prótons) faria o papel do Sol, e os elétrons seriam os planetas, com órbitas bem definidas. Esse movimento geraria o que chamamos de momento angular, que está associado à velocidade de rotação (velocidade angular) e com a massa do corpo.

Continuando com essa analogia, poderíamos imaginar que os elétrons, como os planetas, teriam um movimento ao redor de um eixo de rotação. Como os elétrons têm carga elétrica, esses movimentos gerariam uma corrente e esta criaria um campo magnético, transformando assim os átomos em minúsculos ímãs.

Modelo mecânico do Sistema Solar. A maioria das pessoas enxerga o átomo como um sistema planetário, no qual a estrela representa o núcleo, e os planetas, os elétrons seguindo órbitas bem definidas (foto: Don Pezzano – CC 2.0 BY-NC-SA).

Contudo, essa analogia tem suas limitações, como todas as outras. As observações experimentais nos mostraram que elétrons e quaisquer outras partículas quânticas têm uma característica dual, ou seja, apresentam simultaneamente comportamento ondulatório ou corpuscular, dependendo do tipo de observação que se faça.

Os elétrons que compõem uma corrente elétrica transportada por um fio se comportam como se fossem pequenas esferas se movimentando entre os átomos.

Já os mesmos elétrons emitidos pela ponta de um microscópio eletrônico se comportam com se fossem ondas espalhando e refletindo sobre uma superfície.

Da mesma maneira, comparar a propriedade do spin a um ‘giro’ do elétron ao redor de si mesmo significaria cometer uma grande imprecisão.

A descoberta do spin

Um capítulo importante para a descoberta dessa propriedade dos elétrons foi um experimento realizado em 1921 pelos físicos alemães Otto Stern (1888-1969) e Walther Gerlach (1889-1979).

Nesse experimento, eles fizeram com que um feixe de átomos de prata eletricamente neutros, produzidos a partir da evaporação em um forno, passasse por um campo magnético não uniforme. O campo magnético desviava os átomos de prata, como se estes fossem pequenos ímãs, e eles atingiam uma placa fotodectetora.

A placa acima, no Instituto de Física de Frankfurt (Alemanha), comemora o experimento de Stern (à esquerda) e Gerlach que levou à descoberta do ‘spin’ (foto: Wikimedia Commons/Peng – CC 3.0 BY-SA).

Os resultados obtidos foram totalmente inesperados e surpreendentes. O esperado era que os ’polos magnéticos’ desses átomos apontassem para qualquer direção, mas eles apontavam apenas para duas direções no espaço. Esse estranho resultado foi associado à propriedade que denominamos de spin.

O spin é uma propriedade que não se compara com nada que existe em nossa volta. Ele está associado com a maneira como os elétrons ocupam os níveis de energia no átomo. Um elétron pode ter o spin “up” (para cima) ou “down” (para baixo).

Essa nomenclatura é apenas para diferenciar duas situações, pois não existe “para cima” e “para baixo” nos átomos. O spin é uma característica intrínseca das partículas elementares.

Mas por que a propriedade do spin é tão importante, a ponto de escrevermos uma coluna tentando explicá-lo? Por que isso interessaria a alguém?

Propriedades magnéticas

O spin, no caso dos elétrons, quando combinado com o momento angular que essas partículas possuem ao redor do átomo, é responsável pelas propriedades magnéticas da matéria. A interação entre o spin e o momento angular é que faz com que surja o magnetismo da matéria.

Materiais magnéticos têm uma infinidade de aplicações – dos ímãs de geladeira para fixarmos os recados que não queremos esquecer aos ímãs utilizados em motores elétricos, passando pelos materiais utilizados para a gravação magnética de informação nos discos rígidos dos computadores.

Em aceleradores de partículas como o LHC, magnetos poderosos são usados para direcionar os feixes de prótons. Esta é uma das mais notáveis aplicações do eletromagnetismo (foto: Flickr.com/gamsiz – CC 2.0 BY).

A maior parte das informações existentes atualmente está gravada magneticamente em discos rígidos nos computadores espalhados por todo mundo. A gravação de cada informação é feita por meio da aplicação de campos magnéticos sobre o material magnético do o sistema de gravação.

As informações são gravadas na forma de um código binário, como uma sequência de “0” e “1”. Pode-se representar, por exemplo, o “0” como o polo norte de um pequeno ímã apontando para cima e o “1” com o polo norte apontando para baixo.

Processamento de informação

O spin dos elétrons também pode ser utilizado para uma nova aplicação que no momento está em desenvolvimento, para não somente armazenar informações, mas também processá-las.

Os computadores atuais processam informações utilizando circuitos eletrônicos baseados no controle do fluxo de corrente elétrica através dos seus componentes. O processador de um computador realiza centenas de milhões de operações por segundo por meio do controle do fluxo de corrente elétrica através dos milhões de componentes em seu interior. 

Contudo, há um novo modelo que poderá substituir essa forma de processar informações. Ela se chama spintrônica – a eletrônica de spins, que tem como objetivo controlar o fluxo de corrente em um dispositivo não somente pela carga dos elétrons, mas também pelo o spin.

A carga elétrica do elétron é afetada pela ação de campos elétricos, mas o spin é afetado por campos magnéticos. Essa nova proposta poderá produzir dispositivos mais rápidos e que dissipem menos energia.

Além disso, a utilização do spin no processamento de informações permitirá o desenvolvimento de novos algoritmos de computação, que poderão utilizar as propriedades quânticas do spin. Esse novo ramo de conhecimento chama-se de computação quântica.

A descoberta de uma propriedade inusitada como o spin levou a uma melhor compreensão dos fenômenos magnéticos e estes permitiram o desenvolvimento de novas formas de processar e armazenar informações.

Talvez em um futuro próximo possamos utilizar essa propriedade de forma que sequer somos capazes de imaginar, pois com certeza ainda não esgotamos todas as possibilidades que a física quântica nos apresenta.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos