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Física

Armadilha de átomos

Equipe cria atalho para obter um estado especial da matéria

No mundo há quatro grupos empenhados em obter a partir de átomos de cálcio um estranho estado da matéria – os condensados de Bose-Einstein -, e entre eles está o da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) liderado por Artemio Scalabrin. Os demais grupos usam elementos da primeira coluna da tabela periódica, como sódio, lítio e rubídio. “A vantagem do cálcio e de outros integrantes da segunda coluna é sua peculiar estrutura eletrônica, que pode permitir simplificar o método de obtenção dos condensados”, diz Scalabrin.

Flávio Caldas da Cruz, também do Grupo de lasers do Instituto de Física da Unicamp que desenvolve o projeto, recorda: “Quando o primeiro condensado foi produzido, gerou-se a expectativa de que ocorreria no setor a mesma explosão provocada pela criação do laser, nos anos 60. No entanto, passados quase sete anos, apenas um número limitado de grupos experimentais obteve esses condensados. O principal motivo é a grande dificuldade técnica, em particular a associada à armadilha magnética, de se obter esses objetos”.

“Daí o interesse no condensado de cálcio”, explica Cruz. “Graças à sua estrutura de níveis, esse elemento tem propriedades específicas que oferecem a perspectiva de se chegar a tal estado da matéria apenas por métodos ópticos. Para isto, um segundo tipo de armadilha, semelhante a uma pinça óptica, substituiria a armadilha magnética. Isso representaria um importante atalho para os condensados.”

Átomos aprisionados
Com seu segundo projeto temático, em fase de conclusão, 60 trabalhos em revistas internacionais, sete teses de doutoramento e seis de mestrado concluídas nos últimos dez anos, o Grupo de lasers acredita ter cacife para a empreitada. “Sempre desenvolvemos os equipamentos necessários à pesquisa”, revela Daniel Pereira, integrante da equipe. “Somos hoje o único grupo brasileiro com presença no restrito círculo de laboratórios internacionais capazes de realizar medidas de freqüência de lasers na região do terahertz (que corresponde a 1 trilhão de oscilações por segundo).”

Na batalha pelo condensado, o grupo já faz o mais difícil: aprisionar os átomos de cálcio. Para isso, adota o seguinte procedimento: inicialmente, um forno aquece o cálcio metálico, transformando-o em vapor e elevando-o para 600 graus Celsius. Com o aquecimento, os átomos alcançam a velocidade média de 700 metros por segundo (m/s). No vácuo, os átomos são colimados – ou seja, suas trajetórias se tornam paralelas – e constituem um feixe.

Em seguida, ao deslocar-se por um tubo, o jato de átomos é desacelerado pela pressão de radiação de um laser que aponta em sentido contrário – os fótons, partículas de luz, têm a capacidade de pressionar a matéria, o que produz um fenômeno como a cauda dos cometas. A desaceleração pelo laser – cerca de um milhão de vezes maior, em valor absoluto, que a aceleração da gravidade – faz a velocidade dos átomos cair para cerca de 0,5 m/s. Desacelerados, os átomos podem ser aprisionados por meio de um dispositivo composto de seis lasers – opostos dois a dois e dispostos segundo três direções ortogonais, cada uma correspondendo a um eixo cartesiano do espaço – e um campo magnético.

Com essa técnica, cerca de 10 milhões de átomos são confinados numa esfera de 1 milímetro de diâmetro. A baixa mobilidade faz sua temperatura despencar para o platô de 1 milikelvin, um milésimo de grau acima do zero absoluto (o zero kelvin corresponde a -273,15 graus Celsius). O tempo de permanência dos átomos na armadilha é de cerca de 20 milissegundos – duração que parece irrisória, mas, para a escala de tempo dos fenômenos atômicos, é muito. “Mesmo nessa temperatura baixíssima ainda ocorrem colisões entre os átomos. É a chamada colisão ultrafria, muito pouco estudada até o momento para elementos da segunda coluna da tabela periódica”, comenta Pereira.

Relógios atômicos
A obtenção do condensado não é a única finalidade desse experimento. “Uma de suas importantes aplicações práticas é estabelecer padrões universais de freqüência, tempo e comprimento”, informa Scalabrin. “Uma transição do cálcio é atualmente utilizada como padrão de freqüência. E permite definir também padrões de tempo e comprimento, essenciais em metrologia, redes de telecomunicações e de energia elétrica e navegações aérea e marítima. Quando os átomos têm velocidades mais altas, esse padrão sofre variações e é perturbado por um número maior de colisões. Em temperaturas próximas ao zero absoluto, a freqüência atinge uma estabilidade quase ideal. A perspectiva é construir, a partir daí, relógios atômicos portáteis de altíssima precisão.”

O pesquisador fala em transição do cálcio. Para entender, é preciso recordar o modelo quântico do átomo, formulado pelo dinamarquês Niels Bohr em 1912. Quando recebe um aporte externo de energia, o elétron salta de um nível relativamente próximo ao núcleo para outro mais distante. Transcorrido um intervalo de tempo indeterminado, a partícula deixa essa condição excitada e retorna ao estado fundamental, devolvendo ao meio exterior a energia excedente. Bohr elaborou seu modelo para o átomo de hidrogênio, o mais simples de todos, constituído por apenas um próton e um elétron. Mas ele pode ser generalizado para átomos mais complexos. No caso do cálcio, que tem 20 elétrons distribuídos por várias camadas, são as duas partículas da última camada que transitam para níveis diferentes quando excitadas.

A energia para isso é conferida pelos fótons, partículas ligadas à interação eletromagnética, que compõem a emissão do laser . Para produzir essas transições, o laser precisa ser altamente monocromático, com uma cor muito bem definida. A freqüência associada a cada transição é a do laser – idêntica à da luz emitida pelo átomo quando seus elétrons voltam ao estado fundamental. “Entre as muitas transições possíveis de um átomo, aquelas que realmente interessam são as que envolvem os chamados níveis metaestáveis, nos quais o elétron é capaz de permanecer durante um longo tempo, antes de decair”, afirma Cruz.

“Isso se deve ao fato de que, quanto maior o tempo de permanência do elétron num nível, mais definida é a energia necessária para produzir essa excitação. Quando o tempo de permanência é curto, há uma grande indefinição no valor da energia – o que é uma decorrência direta do Princípio da Incerteza, um dos pilares da física quântica.” Três transições são especialmente interessantes no cálcio. Duas são estimuladas pela radiação eletromagnética na faixa do infravermelho longínquo, em 1,6 e 3,2 terahertz (THz).

Outra, ainda mais energética, é produzida pela luz visível em 456 THz. Essas transições tornam o cálcio extremamente promissor para o desenvolvimento de relógios atômicos de altíssima precisão. “O motivo é que, quanto mais elevada a freqüência do oscilador, maior a estabilidade dos ‘tique-taques’ do relógio”. explica Cruz. “Os relógios atômicos convencionais, baseados no césio e no rubídio, utilizam oscilações geradas na faixa de microondas do espectro eletromagnético, no patamar do gigahertz (1 bilhão de oscilações por segundo).

Um eventual relógio de cálcio, alimentado pelas oscilações do campo eletromagnético de lasers , operaria com freqüências milhares de vezes mais altas.” A ideia de produzir um relógio de cálcio no infravermelho longínquo, trocando os geradores de microondas por lasers como fonte excitatória, existe há cerca de 30 anos e tem sido incrementada. Verificou-se, por exemplo, que, esfriando-se os átomos, era possível obter freqüências mais estáveis. E que o cálcio apresentava aquela outra transição, na faixa visível do espectro, com freqüência ainda mais alta.

Tudo isso gerou grande expectativa, mas havia um problema: até há dois anos, medir freqüências na faixa do terahertz parecia impossível. De pouco adiantava produzir uma transição de freqüência tão elevada se não havia como mensurá-la.Foi quando se descobriu que um laser de pulsos ultracurtos poderia servir para medir a freqüência de outro laser. Ao contrário do laser usado para excitar o átomo, cuja emissão deve ser contínua e altamente monocromática, esse laser medidor emite pulsos descontínuos e policromáticos – isto é, compostos por radiações de diferentes freqüências.

E sua emissão policromática é o chamado “pente de freqüências” – algo que funciona como uma régua para a aferição de outras freqüências. Isso, por si, já parecia muito bom. Mas o impressionante era o período de cada pulso: algo da ordem do femtossegundo (1 quatrilhonésimo de segundo). Com pulsações tão rápidas, esse laser pode balizar tranqüilamente freqüências de centenas de terahertz.

Esse laser pulsante mudou o cenário e forneceu o ingrediente que faltava ao relógio atômico de cálcio. Pois, em princípio, tudo o que se precisa para fazer o relógio é um oscilador estável e um medidor de oscilações. O oscilador, no caso, é o laser monocromático estabilizado à transição atômica do cálcio. E o medidor, o laser de pulsos ultracurtos. Daí até o relógio efetivo é uma questão de vencer obstáculos técnicos, o que também pode ser dito quanto à obtenção dos condensados. Mas o caminho já foi aberto.

Bem perto do zero absoluto

A pesquisa do Grupo delaser s da Unicamp envereda por um campo recente: a produção experimental de um condensado de Bose-Einstein foi conseguida pela primeira vez em 1995 e seus autores – os americanos Eric Cornell e Carl Wieman, da Universidade do Colorado, em Boulder, e o alemão Wolfgang Ketterle, do Massachusetts Institute of Tecnology (MIT) – receberam o Nobel de Física de 2001.

Previsto teoricamente em 1924 pelo indiano Satyendra Nath Bose (1894-1974) e pelo judeu-alemão Albert Einstein (1879-1955), o condensado foi buscado por décadas, até ser obtido independentemente pela dupla Cornell e Wieman e por Ketterle. A presteza da premiação indica a importância do feito. O condensado é um estado da matéria em que os átomos perdem suas individualidades e passam a se comportar como entidade única. Ocorre quando os corpúsculos estão em um nível excepcionalmente baixo de energia, em temperatura alguns bilionésimos de grau acima do zero absoluto. A situação provavelmente não existe na Natureza, pois nem mesmo o espaço intergaláctico é tão frio, mas pode ser obtida em laboratório.

A técnica para isso consiste em reduzir drasticamente a agitação térmica dos átomos, aprisionando-os num volume muito pequeno por meio de uma armadilha de lasers e de um campo magnético. E, depois, usar uma armadilha magnética manipulada com radiofreqüência, de modo a expelir os átomos mais energéticos, deixando ficar apenas os impecavelmente quietos. A coerência de comportamento desse gás de átomos ultrafrios é tal que faz com que ele esteja para um gás à temperatura ambiente assim como o laser está, num exemplo trivial, para a luz de uma lanterna.

Uma das possíveis aplicações do condensado é justamente a criação de “lasers” atômicos. Há equipes que trabalham nessa direção, mas o processo está em fase muito preliminar. No momento, a pesquisa se concentra no estudo das propriedades físicas dos condensados, ainda largamente desconhecidas.

O Projeto
Espectroscopia Atômica e Molecular com lasers (nº 97/05257-5); Modalidade Projeto temático; Coordenador Artêmio Scalabrin – Instituto de Física da Unicamp; Investimento R$ 199.624,98 e US$ 336.494,00

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