Experimento torna salto quântico de elétron visível a olho nu

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/06/2021

Cada milímetro na régua mostra um salto quântico de um elétron individual.
[Imagem: Javier Tello Marmolejo et al. - 10.1038/s41598-021-89714-2]

Natureza fundamental do elétron

Um experimento inédito permitiu que físicos observassem a absorção de um único elétron por uma gota de silicone com uma ampliação tal que o fenômeno ficou visível a olho nu, com o salto quântico do elétron podendo ser medido com uma régua milimetrada comum.

A comprovação experimental da natureza fundamental do elétron - a prova de que a carga do elétron é quantizada, ou seja, que ele possui uma quantidade mínima e indivisível de carga elétrica - foi feita em 1909 por Robert Millikan. A demonstração envolveu deixar centenas de gotículas eletricamente carregadas caírem em um campo elétrico e então fazer uma análise estatística do seu movimento.

"Agora criamos uma versão moderna desse experimento clássico levitando uma única gota no ar usando um laser," contou Javier Marmolejo, da Universidade de Gotemburgo, na Suécia.

A novidade notável deste experimento é que a quantização da carga elétrica ficou diretamente visível pela primeira vez, sem equipamentos avançados e sem nem mesmo a tradicional análise estatística - é uma visualização direta do salto quântico do elétron.

Salto quântico do elétron

Em vez de deixar gotas caírem, a equipe usou levitação óptica para criar uma versão de uma única gota do experimento de Millikan.

Um laser foi usado para levitar no ar uma gota de óleo de silicone com 29 micrômetros de diâmetro. O ponto focal do laser - e, portanto, a gota - foi colocado entre dois eletrodos paralelos, separados por 1 mm. Entre essas placas, foi aplicada uma diferença de potencial de 666 volts, o que criou um forte campo elétrico. Finalmente, radiação alfa (núcleos de hélio) foi direcionada para a gota quase sem carga, ionizando o ar ao seu redor.

Quando a gota ganha ou perde um elétron, a força aplicada pelo campo elétrico muda, o que por sua vez muda a posição da gota - um salto quântico. Os efeitos foram ampliados 73 vezes por uma lente comum e projetados em uma parede. Com esta ampliação, os movimentos micrométricos da gota são vistos a olho nu.

Para completar o show, uma régua milimetrada comum foi colocada na parede, onde os pesquisadores puderam observar diretamente o número de elétrons que a gota ganhava - ela salta cerca de 1 mm por elétron adicionado. Em outras palavras, saltos quânticos autênticos vistos a olho nu.

Esquema do experimento.
[Imagem: Javier Tello Marmolejo et al. - 10.1038/s41598-021-89714-2]

Comunicação da ciência

A equipe estima que a pequena gotícula de silicone tenha cerca de 3,7 x 10¹⁵ elétrons. Ou seja, a proeza é realmente incrível quando se considera que o experimento faz com que o efeito da adição de um único elétron a uma gota que já possui 3.700.000.000.000.000 elétrons seja visível a olho nu.

A equipe destaca que seu criativo experimento representa uma nova oportunidade para comunicar melhor a ciência a respeito das partículas elementares para o público.

"As etapas foram opticamente ampliadas em uma parede e filmadas. Prevemos que o vídeo dessas adições de um único elétron pode se tornar uma demonstração direta da quantização de carga para o público em geral," escreveu a equipe.

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