Uma equipe de pesquisadores do National Institute for Standard and Technology (NIST), no estado norte-americano do Colorado, tornou-se mundialmente conhecida, no ano passado, depois de conseguir comprovar na prática uma suposição feita 70 anos atrás pelo físico alemão Albert Einstein. Eric Cornell e seu grupo mostraram, em uma conferência na Itália, ser capazes de provocar uma certa alteração no comportamento do átomo – prevista por Einstein, com base na teoria do físico indiano Satyendra Nath Bose -, fundamental para o avanço da física quântica e da compreensão mais aprofundada da matéria.
Enquanto a equipe de Cornell buscava os meios para realizar seu experimento, um grupo de pesquisadores brasileiros do Instituto de Física de São Carlos (Universidade de São Paulo, USP), encabeçado por Vanderlei Salvador Bagnato, trabalhando no mesmo campo, ganhava o respeito da comunidade científica mundial por seu trabalho com desaceleração e aprisionamento atômico. O grupo de São Carlos compõe uma seleta lista de poucos e respeitados institutos em todo o mundo, em condições de fazer experimentos com base na manipulação de átomos.
A equipe de Bagnato está entre as que obtiveram resultados avançadíssimos com a espectroscopia atômica – manipulação atômica com o uso da luz. Os experimentos começaram em 1990, com o auxílio da FAPESP. “Estamos trabalhando no limite do conhecimento”, diz Bagnato. De fato, a equipe do jovem físico de 38 anos, foi a primeira a conseguir confinar num mesmo espaço dois átomos de substâncias diferentes (sódio e potássio). De acordo com o físico, sua equipe (na qual estão também Sergio Carlos Zilio e Luis Gustavo Marcassa, além dos pesquisadores convidados e de cerca de 40 alunos de graduação, mestrado e doutorado) recebeu em torno de US$ 500 mil, relativos a dois projetos temáticos, para desenvolver o trabalho iniciado há seis anos.
Essa pesquisa de ponta pode levar os brasileiros a novas constatações sobre os chamados “superestados” da matéria. O terceiro projeto temático da equipe de Bagnato, em fase de análise pela FAPESP, prevê a concessão de outros US$ 500 mil para experiências nessa nova área da realização da Condensação de Bose-Einstein – os brasileiros estão na última etapa do processo, o resfriamento evaporativo dos átomos. Segundo o pesquisador os vários anos de trabalho científico deram à equipe experiência suficiente para vencer todas as etapas anteriores.
A manipulação atômica é um dos campos de estudo mais recentes da física e deve permanecer por um bom tempo como o principal desafio dos cientistas na busca pelo entendimento das leis naturais. Apresenta-se como a grande fronteira. As observações em torno da unidade básica da matéria ainda levam a ponderações conceituais quase sempre controversas. A principal delas, a de que a partir da compreensão da natureza do átomo seria possível constatar a existência de uma única lei universal por trás da vida, tem causado entraves, envolvendo grandes nomes da física mundial. Os pesquisadores, entretanto, são unânimes ao afirmar que o muito que se sabe é muito pouco. Ou seja, a experimentação é ainda o melhor que se pode produzir nesse campo, a despeito dos avanços da engenharia genética e das recentes descobertas de novos materiais.
Um dos principais avanços da física moderna foi a constatação da natureza composta dos átomos, no início do século, a partir da descoberta do raio X. Descobriu-se que os átomos de substâncias radioativas não só emitem radiação como transformam-se em átomos de substâncias diversas. O entendimento de que o átomo não é uma unidade sólida, mas um conjunto de partículas (elétrons, prótons e nêutrons) em constante movimento, revolucionou as teorias da física clássica, e abriu o caminho para uma investigação mais aprofundada sobre a composição da matéria.
A observação do comportamento das partículas subatômicas e a conseqüente formulação da teoria quântica, na década de 20, obrigou os estudiosos a reverem seus conceitos e a aceitar que a matéria é composta por unidades mais abstratas do que se previa, apresentando-se às vezes em forma de partículas e outras em forma de ondas. A crença na existência de uma unidade padrão básica e indestrutível precisou ser reelaborada. Apesar do átomo ser visto como uma entidade mecânica – como se fosse um corpúsculo de massa se deslocando -, seu comportamento, na verdade, é quântico. Na natureza quântica, o átomo comporta-se como uma onda, capaz de interagir com outros, evidenciando efeitos que a visão mecânica não poderia prever.
A comprovação matemática da teoria quântica, que suplantou o pensamento mecânico, possibilitou especulações que levaram Base a desenvolver teorias usadas posteriormente por Einstein. Este, em 1925 ventilou a possibilidade de se observar um comportamento diferente na matéria. Uma manifestação macroscópica da natureza quântica.
A possibilidade levantada por Einstein, denominada Condensação de Bose-Einstein (CBE), previa uma repetição macroscópica do movimento ondulatório subatômico, ou seja, a extrapolação, para vários átomos de uma mesma substância, do movimento uníssono observado em uma unidade atômica, alterando a visão clássica da substância. A equipe de Eric Cornel conseguiu comprovar a teoria no estado norte-americano do Colorado. O experimento, feito com átomos de rubídio, foi mostrado na Itália, em junho do ano passado. Para os cientistas de São Carlos, tão importante quanto repetir a façanha dos norte-americanos é a possibilidade de experimentação, observação detalhada de cada etapa do fenômeno e as conclusões que se pode tirar disso.
Vanderlei Bagnato recebeu, em 1989, o prêmio Gleb Wataghin, oferecido pela FAPESP para jovens pesquisadores, por seu trabalho com desaceleração atômica. Ele voltou a São Carlos no final da década de 80, depois de obter seu PhD no Massachusetts Institute of Technology (MIT). Iniciou, em 1988, a implantação do laboratório onde a equipe faz seus experimentos e rujas instalações estão avaliadas em cerca de US$ 1,5 milhão. Sua equipe é ousada. Com a verba do projeto pretende não só repetir a condensação, objetivo do qual está bem próxima, mas fazê-la com átomos de duas substâncias diferentes.
O grupo trabalha com átomos de potássio, rubídio, césio e sódio. O confinamento, que é a primeira etapa da CEB, se dá com a utilização de feixes de laser (luz amplificada por emissão estimulada de radiação, na sigla em inglês). A luz é utilizada como um “pinça” energética que permite a manipulação do átomo a partir do controle da interação de ambos: o fato do átomo não ser uma unidade sólida, como se pensava antes da teoria quântica, dificulta sua manipulação uma vez que ele muda suas características em contato com outros átomos. A utilização controlada de feixes de luz (o laser é a luz mais estável que o homem conhece, ou seja, mantém ao longo do tempo e do espaço as mesmas características, o que a torna uma luz direcionada) permite que se conduza o átomo para espaços determinados.
Após a manipulação com os feixes de luz, um campo magnético mantém os átomos confinados num espaço pré-determinado. O próximo passo é o resfriamento, evaporação das partículas de maior energia, que impulsionam o movimento. O resfriamento desacelera ainda mais os átomos confinados e os põe em um movimento uníssono, etapa que os cientistas chamam de “ponto crítico”. Ou seja, os átomos passam do movimento clássico, aleatório, característico das partículas num gás, e integram ondas de movimento harmônico, nas quais perdem a identidade individual, passando a ter um comportamento coletivo. Essa mudança pode ser considerada um quinto estado da matéria, ou “superestado”, no qual ficam alteradas as características tradicionais observadas nos átomos em temperatura ambiente.
Esse estado dá à matéria, por exemplo, a condição de superfluidez (conseguida com o resfriamento de átomos de hélio) e de supercondutividade (com metais como o nióbio, o estanho ou ligas com alumínio). O grande ganho da constatação da CBE é poder-se observar mais detalhadamente esse comportamento, o que é impossível de ser feito com o hélio, que em estado de superfluidez transforma-se num líquido com forte interação entre as partículas. Os experimentos baseados na CBE utilizam as substâncias em forma gasosa. Os resultados práticos desse entendimento ainda são suposições e Bagnato prefere não se arriscar. “A sociedade paga aos pesquisadores e quer logo um resultado prático, mas senão houvesse a experimentação, nunca descobriríamos nada”, afirma. “Entender como a natureza se comporta permite a criação de leis, que fatalmente serão úteis à melhoria da vida no planeta.”
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