Nuvens de gases impenetráveis rebatem uma na outra

Anne Trafton - MIT - 19/04/2011

"Quando vimos estes flocos de gás ultra diluído saltarem um do outro, ficamos completamente maravilhados," conta Ariel Sommer.
[Imagem: MIT]

Quando duas nuvens de gás se encontram, elas normalmente passam uma através da outra.

Mas agora físicos do MIT criaram nuvens de gases ultra-frios que rebatem uma na outra, como se fossem bolas de borracha - embora sejam um milhão de vezes menos densas do que o ar.

Esta é a primeira vez que se observa a existência de tais "gases impenetráveis".

Sistemas fortemente interativos

"Quando vimos estes flocos de gás ultra diluído saltarem um do outro, ficamos completamente maravilhados," conta Ariel Sommer, principal autor do artigo que descreveu o experimento na revista Nature.

Embora este experimento tenha utilizado nuvens de átomos de lítio resfriados até próximo do zero absoluto, os resultados poderão ajudar a explicar também o comportamento de outros sistemas que interagem fortemente.

Isto inclui as estrelas de nêutrons, os supercondutores de alta temperatura e o plasma de quarks-glúons: a sopa quente de partículas elementares que se formou imediatamente após o Big Bang.

Férmions

Os pesquisadores, liderados pelo físico Martin Zwierlein, fizeram o experimento com um isótopo de lítio que pertence a uma classe de partículas chamadas férmions. Todos os blocos básicos da matéria - elétrons, prótons, nêutrons e quarks - são férmions.

Diferentes estados da matéria fermiônica distinguem-se uns dos outros pela sua mobilidade. Por exemplo, os elétrons podem ser móveis em um metal, imóveis em um isolante ou fluírem sem resistência em um supercondutor.

No entanto, para muitos tipos de materiais, incluindo os supercondutores de alta temperatura, não se sabe quais circunstâncias induzem os férmions a formar um determinado estado da matéria.

Isto é especialmente verdadeiro para os materiais com férmions fortemente interativos - isto é, férmions que são mais propensos a colidir uns com os outros - um fenômeno também chamado de espalhamento.

Gases que se repelem

Neste estudo, os pesquisadores modelaram sistemas fortemente interativos utilizando átomos de gás de lítio para substituir os elétrons.

Ajustando os estados de energia dos átomos de lítio com um campo magnético, eles fizeram os átomos interagiram uns com os outros o mais fortemente que as leis da natureza permitem: eles se dispersam cada vez que encontram outro átomo.

Para eliminar qualquer efeito da temperatura, os pesquisadores resfriaram o gás até cerca de 100 bilionésimos de um Kelvin, próximo ao zero absoluto (-273 graus Celsius).

Eles usaram campos magnéticos para separar o gás em duas nuvens, chamadas "spin up" e "spin down" e, em seguida, fizeram as duas colidirem dentro de uma armadilha formada por um feixe de laser.

Duas nuvens de gás (uma vermelha e uma azul), cada um milhão de vezes menos densa do que o ar, repelem-se mutuamente sob a influência de fortes interações da mecânica quântica. Essas nuvens de gás podem servir como modelo da matéria em condições extremas, tais como estrelas de nêutrons ou o plasma de quarks-glúons do início do universo.
[Imagem: Martin Zwierlein]

Em vez de passar uma através da outra, como os gases normalmente fazem, as duas nuvens se repeliram de forma dramática.

As nuvens de gás eventualmente terminam por difundir-se uma na outra, mas leva mais de um segundo para isso acontecer - um tempo extremamente longo para os eventos que ocorrem em escalas microscópicas.

Na verdade, os pesquisadores demonstraram que essa difusão é mais lenta do que seria permitido pela mecânica quântica.

Armazenamento de dados e eficiência energética

A pesquisa faz parte de um programa destinado a usar átomos ultra-frios como sistemas-modelo facilmente controláveis para estudar as propriedades de materiais complexos, como os supercondutores de alta temperatura e novos materiais magnéticos, com aplicações em armazenamento de dados e na melhoria da eficiência energética.

A seguir, os pesquisadores planejam limitar os gases de lítio a duas dimensões, que lhes permitirá simular o confinamento bidimensional dos elétrons nos supercondutores de alta temperatura.

O trabalho também poderá ser usado para modelar o comportamento de outros sistemas que interagem fortemente, como estrelas de nêutrons de alta densidade, que têm apenas cerca de 10 quilômetros de diâmetro, mas têm mais massa do que o nosso Sol.

Outra substância que interage tão fortemente quanto os átomos de lítio nas nuvens de gás ultra-frias é o plasma de quarks-glúons que se acredita ter existido no início do nosso Universo, antes que a temperatura esfriasse o suficiente para que os átomos se formassem.

Esse plasma tem sido recriado em aceleradores de partículas, como o LHC (Large Hadron Collider) do CERN, colidindo núcleos atômicos a energias que correspondem a um trilhão de graus.

Mais tópicos