Gota de água iluminada vira átomo artificial visível a olho nu

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/02/2023

Quando a circunferência da gotícula é um múltiplo do comprimento de onda da luz, ocorre um fenômeno de ressonância que torna o sistema análogo a um átomo.
[Imagem: University of Gothenburg]

Sussurros luminosos

Disparar um feixe de luz sobre uma simples gota de água cria efeitos que são análogos ao que acontece em um átomo, criando um experimento simples e visível a olho nu, mas poderoso o suficiente para nos ajudar a entender como os átomos funcionam e estudar os mais diversos tipos de líquidos.

Você já deve ter ouvido falar da Catedral de São Paulo, em Londres, onde o som corre tão facilmente ao redor da cúpula da igreja que uma pessoa em qualquer parte da circunferência poderá ouvir claramente o que outra sussurrar no lado oposto. É por isso que a cúpula da catedral foi apelidada de "galeria sussurrante".

O detalhe é este é um fenômeno das ondas, valendo também para as ondas de luz. A fotônica vem tirando proveito disso há muito tempo, com as ondas de luz circulando quase sem perdas ou ficando aprisionadas em torno de nanodiscos, compondo dispositivos conhecidos como ressonadores em anel.

Javier Marmolejo e colegas da Universidade de Gotemburgo, na Alemanha, mostraram agora como tirar proveito do mesmo efeito quando um feixe de luz incide sobre uma gota de água.

Análogo de um átomo

Os raios de luz refletem repetidamente na parede interna da gota de água, girando e girando em seu interior. Mas há algo mais interessante quando se trabalha com uma gota de água, em lugar de um nanodisco de silício.

Quando a circunferência da gota é um múltiplo exato do comprimento de onda da luz, ocorre um fenômeno de ressonância, assim como o som dentro da cúpula da Catedral, fazendo com que a gota brilhe mais. Este foi o ponto explorado pela equipe para criar um análogo de um átomo. Para isso, foi necessário lançar mão de outro fenômeno natural e de uma tecnologia que valeu o Prêmio Nobel aos seus criadores.

O fenômeno natural é a evaporação: Você não pode mudar o tamanho da cúpula da Catedral de São Paulo, mas uma gota de água muda de tamanho à medida que evapora. Os pesquisadores então descobriram que, ao atingir cada diâmetro preciso para a geração da ressonância, a gota brilha de maneira semelhante ao que ocorre quando um elétron é emitido depois que um átomo é iluminado e retorna ao seu estado normal de energia.

Para que tudo seja mais preciso e controlável, a equipe então se valeu das pinças ópticas, ganhadoras do Nobel de 2018, usando feixes de laser para segurar a gota de água no ar, livre de qualquer contato. Além disso, o feixe de laser é refratado na gota de água e se espalha, prendendo a luz no seu interior e dando início à analogia do átomo.

"Em nossos experimentos com luz laser, pudemos ver que a luz está presa dentro da gota de água. Quando a gota encolhe devido à evaporação, ela parece piscar toda vez que seu tamanho é adequado para criar o fenômeno de ressonância," resume Marmolejo.

Esquema do átomo artificial óptico, que será mais útil do que os cientistas esperavam.
[Imagem: Javier Tello Marmolejo et al. - 10.1103/PhysRevLett.130.043804]

Análise da luz e da água

Com o experimento mostrando-se tecnicamente viável, a equipe então usou uma analogia da mecânica quântica para explicar como as ressonâncias correspondem aos níveis de energia de um átomo - as características do "elemento químico artificial" replicado dependem do diâmetro da gota de água e do comprimento de onda da luz utilizada.

"Como uma gota de água é cerca de 100.000 vezes maior que um átomo, obtemos um modelo de átomo visível a olho nu, um 'átomo óptico'," disse Marmolejo.

E, além de ser um modelo para entender como os átomos funcionam, o experimento fornece um novo berço de testes para estudar como a luz se espalha em diferentes materiais. Por exemplo, a espectroscopia a laser fornece dados sobre níveis de energia, ligações e estruturas de átomos e moléculas. Da mesma forma, o espectro de luz espalhado pelas gotículas de água fornece dados sobre as gotículas reais.

Isso pode ser usado para medir as taxas de evaporação de gotículas microscópicas com alta precisão, o que é importante desde a indústria química e a queima de combustível nos motores até a formação das nuvens e o comportamento do clima.

A equipe ressalta que seu análogo pode ser usado com outros líquidos além da água, podendo ser útil para estudar gotículas de aerossol em inaladores usados para medicamentos, por exemplo, ou mesmo analisar a qualidade da água distribuída pelas estações de tratamento.

"Pequenas quantidades de poluentes na água alteram a forma como as gotas piscam, o que abre a possibilidade de medições rápidas e fáceis de poluentes químicos ou biológicos nas gotas de água," disse Marmolejo.

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