Cientistas criam um buraco negro atômico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/04/2010

Átomos super frios são capturados por um nanotubo de carbono suspenso e carregado com centenas de volts. Cada átomo capturado espirala ao longo do nanotubo (rota branca) onde seu elétron de valência tunela no nanotubo. O íon resultante (violeta) é ejetado, sendo então detectado pelos instrumentos dos cientistas.
[Imagem: Anne Goodsell/Tommi Hakala]

Menor acelerador de partículas do mundo

Pense nesse experimento como o menor acelerador de partículas do mundo: átomos espiralam ao longo de um nanotubo de carbono eletricamente carregado, sofrendo uma aceleração dramática, até desintegrarem-se violentamente.

Os físicos da Universidade de Harvard que descobriram o fenômeno afirmam que, além de serem promissores para a área da eletrônica e, eventualmente até mesmo para a construção de um elevador espacial, os nanotubos de carbono podem também ser a base para a geração de buracos negros microscópios.

Eles descobriram que um nanotubo de carbono, eletricamente carregado, pode fazer átomos super frios entrarem em um movimento espiral ao seu redor, acelerando velozmente até se desintegrarem, sem precisarem se chocar uns com os outros.

Buraco negro atômico

O experimento, o primeiro a demonstrar alguma coisa semelhante a um buraco negro em escala atômica, ganhou a capa da última edição da revista Physical Review Letters, a mais importante revista científica de física do mundo.

"Em uma escala de nanômetros, nós criamos uma atração inexorável e destrutiva semelhante à que os buracos negros exercem sobre a matéria em escalas cósmicas," diz Lene Vestergaard Hau, coautora da pesquisa.

A Dra. Lene Hau ficou famosa mundialmente ao criar os primeiros experimentos capazes de parar a luz. Suas experiências também serviram de base para que outros cientistas capturassem o "nada", ou pelo menos o que os físicos chamam de vácuo condensado.

"Além de ser extremamente importante para os cientistas, esta é a primeira fusão entre a física dos átomos frios e a nanociência, abrindo as portas a uma nova geração de experiências de átomos frios e dispositivos em nanoescala," vislumbra ela.

Nanofio de carbono

O nanotubo de carbono de parede única - sua parede é formada por uma única camada de átomos de carbono - foi fabricado sobre uma abertura de 10 micrômetros de largura de um chip de silício por meio de um processo chamado deposição química a vapor.

O chip fornece tanto a sustentação mecânica quanto os eletrodos por meio dos quais o nanotubo de carbono pode ser energizado.

Desta forma, embora seja oco, neste experimento o nanotubo funcionou como um nanofio de carbono, sendo que os átomos não tinham uma rota pela qual pudessem "mergulhar" diretamente por seu interior.

"Do ponto de vista do átomo, o nanotubo é infinitamente longo e fino, gerando um efeito singular sobre o átomo", diz Hau.

Acelerando átomos

Hau e seus colegas usaram raios laser para resfriar nuvens contendo um milhão de átomos de rubídio até uma fração de grau acima do zero absoluto.

Em seguida, elas arremessaram essa nuvem atômica - que tem um comprimento na faixa de milímetros - em direção ao nanotubo de carbono suspenso, que estava localizado a cerca de dois centímetros de distância e carregado com centenas de volts.

A grande maioria dos átomos passou direto pelo nanofio, mas aqueles que se aproximaram a cerca de um micrômetro dele foram inevitavelmente atraídos, entrando em um movimento em espiral ao seu redor e alcançando altíssimas velocidades, acelerados pela tensão do nanotubo.

Apenas cerca de 10 átomos de cada nuvem de um milhão deles espiralou pelo nanotubo.

"De uma velocidade inicial de cerca de 5 metros por segundo, os átomos frios atingiram velocidades de aproximadamente 1.200 metros por segundo, ou quase 4.500 quilômetros por hora, à medida que giravam ao redor do nanotubo," diz Anne Goodsell, coautora da pesquisa.

"Como parte dessa tremenda aceleração, a temperatura correspondente à energia cinética dos átomos passou de 0,1 Kelvin para milhares de graus Kelvin em menos de um microssegundo," complementa Goodsell.

Física e nanociências

Neste ponto, os átomos acelerados desintegraram-se em um elétron e um íon, ambos girando em paralelo ao redor do nanofio, cada um completando uma órbita em apenas alguns trilionésimos de segundo.

O elétron eventualmente é sugado pelo nanotubo por meio do tunelamento quântico, fazendo com que seu companheiro íon seja arremessado para longe - repelido pela forte carga elétrica de 300 volts do nanotubo - a uma velocidade de cerca de 26 quilômetros por segundo, quase 95.000 quilômetros por hora.

A precisão alcançada pelo experimento, permitindo o acompanhamento tanto dos átomos quanto dos processos em nanoescala, incluindo o rastreamento dos átomos, dos elétrons e da dinâmica dos íons, só foi possível graças a uma junção inédita entre a física e as nanociências.

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