Efeitos quânticos detectados em colisões de hidrogênio e gás nobre

5 de junho de 2023

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pela Universidade Livre de Berlim

Uma equipe de pesquisa da Freie Universität Berlin, liderada pela física quântica Professora Christiane Koch, demonstrou como as moléculas de hidrogênio se comportam quando colidem com átomos de gases nobres, como hélio ou néon. Em um artigo publicado na revista Science, os pesquisadores descrevem como usaram simulações para traçar conexões entre dados de experimentos e modelos teóricos da física quântica.

O estudo inclui cálculos teóricos, bem como dados coletados em experimentos com átomos e moléculas conduzidos na TU Dortmund University e no Weizmann Institute of Science, em Israel. A equipe conseguiu mostrar que as colisões mudam a maneira como as moléculas vibram e giram sob as leis da mecânica quântica. A pesquisa no campo da mecânica quântica continua ganhando importância no mundo de hoje. Descobertas como essas podem ser aplicadas no desenvolvimento de telefones celulares, televisores, satélites e na tecnologia de diagnóstico médico.

O efeito quântico observado aqui é conhecido como ressonância de Feshbach. "Por um breve momento após a colisão, a molécula de hidrogênio e o átomo de gás nobre formam uma ligação química e depois se separam novamente", explica o professor Koch, da Freie Universität Berlin.

No entanto, apesar das medições e cálculos extremamente detalhados para um sistema comparativamente pequeno e simples, os pesquisadores ainda estão muito longe de serem capazes de reconstruir todas as características da mecânica quântica da colisão hidrogênio-gás nobre. "Isso se deve a um dos fenômenos fundamentais da mecânica quântica: quando se trata de medições, você não pode contornar os princípios básicos da física clássica. Isso cria um dilema: somos capazes de descrever certos fenômenos da mecânica quântica matematicamente em termos abstratos, mas ainda precisam usar conceitos da física clássica para entendê-los completamente", explica Koch.

Efeitos quânticos – significando tipos de comportamento que não podem ser explicados com as regras da física clássica – aparecem quando átomos e moléculas não podem mais ser suficientemente descritos pelo lugar que ocupam e pela velocidade com que se movem. “Eles exibem características que associamos à dispersão de ondas, como interferência, ou seja, camadas construtivas ou destrutivas de ondas”, diz Koch. Além disso, existem outros fenômenos como o emaranhamento, que ocorre quando objetos da mecânica quântica exercem influência imediata uns sobre os outros, apesar de estarem espacialmente distantes.

Os efeitos quânticos geralmente aparecem no reino de objetos muito pequenos, como átomos e moléculas, e quando esses objetos estão sob pouca influência de seu ambiente. O último é alcançado por períodos de tempo muito curtos ou sob temperaturas extremamente baixas próximas do zero absoluto (-273,15°C). "Nessas circunstâncias, apenas uma pequena quantidade dos chamados estados quânticos estão disponíveis para essas partículas. O sistema basicamente se comporta de maneira ordenada", diz Koch.

Temperaturas mais altas permitem um maior número de estados quânticos nas partículas, e os efeitos da mecânica quântica tendem a se igualar quando distribuídos como uma média estatística em vários estados e, portanto, essencialmente desaparecem de vista. Nesse estado, o sistema se comporta de forma mais aleatória e pode ser descrito por meio de estatísticas. Até agora, mesmo as colisões átomo-molécula mais frias exibiram esse comportamento estatisticamente previsível. “Isso tornou quase impossível chegar a qualquer conclusão sobre a interação entre os átomos e as moléculas, o que significa que não poderíamos fazer uma conexão direta entre os dados experimentais da vida real e os modelos teóricos”, explica Koch.