Como usar água para ver o magnetismo dos elétrons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/05/2022

O magnetismo dos elétrons e as ondas de água pertencem a campos totalmente diferentes - mas a matemática os une.
[Imagem: Konstantin Y. Bliokh et al. - 10.1126/sciadv.abm1295]

Momento angular de rotação

Introduzido pela primeira vez há quase um século, o conceito de momento angular de rotação, ou spin, é um elemento criticamente importante na física quântica e serve como base para os campos emergentes da spintrônica e da computação quântica.

Nas aulas de física, o spin de um elétron é geralmente descrito como o elétron girando em seu eixo, semelhante a um pião, dando origem a um campo magnético.

Mas uma descrição mais completa do spin é mais abstrata e não se rende a imagens simples, tampouco a uma visualização direta. Ou, pelo menos, é o que os físicos pensavam.

Agora, contudo, Konstantin Bliokh e seus colegas do Instituto Riken, no Japão, acabam de demonstrar que o spin pode ser visualizado usando água, saltando aos olhos na forma de pequenos movimentos circulares nas ondas de água.

"Ficamos surpresos ao sermos capazes de observar esse efeito em experimentos tão prontamente," disse Bliokh. "Fenômenos semelhantes em óptica e acústica tendem a ser muito pequenos para serem observados, mas ,com ondas de água, tudo tem alguns milímetros de tamanho e você pode observá-lo com seus olhos. Essa é a beleza deste experimento."

Aqui o momento magnético dos elétrons é visto nas ondas de água.
[Imagem: Konstantin Y. Bliokh et al. - 10.1126/sciadv.abm1295]

Conexão matemática

A demonstração também é inesperada porque o conceito de spin vem da matemática que descreve a teoria relativística de campos, e não se aplica diretamente às ondas de água.

Mas os pesquisadores conseguiram mostrar que existe uma conexão matemática entre as ondas de água e a teoria formal do momento angular de rotação - como frequentemente acontece na física, diversos fenômenos que parecem totalmente não relacionados podem ser conectados pela matemática.

"É muito legal obter uma imagem unificada de diferentes sistemas de ondas e ver os paralelos entre eles," comentou Bliokh. "Esta abordagem ilumina a física por trás de diferentes fenômenos e pode ser muito proveitosa para o desenvolvimento futuro de diferentes campos."

Além disso, os insights podem fluir nos dois sentidos, e a visualização pode servir para estudar a dinâmica dos fluidos usando a matemática já usada na física.

Bliokh também considera que a demonstração pode ser útil para o ensino da teoria quântica de campos: "Quantidades como a densidade de spin são derivadas de uma forma muito abstrata. Ela aparece em algumas equações, mas você observa coisas totalmente diferentes nos experimentos. Pela primeira vez, observamos diretamente a densidade de spin em ondas de água. Portanto, é realmente uma plataforma para visualizar propriedades ocultas na teoria quântica de campos."

A equipe agora está explorando como a teoria de campos pode ser usada para obter novos insights sobre outros tipos de ondas clássicas.

Mais tópicos