Certa vez, o físico Satyendra Nath Bose propôs que os fótons (“pacotes” de luz), apresentados pelo físico Albert Einstein, em 1905, se comportavam como partículas indistinguíveis e satisfaziam a uma distribuição estatística diferente do padrão estabelecido à época (estatística de Maxwell-Boltzmann). Inspirado pelo trabalho de Bose, Einstein aplicou a nova estatística “boseana” a um gás e, em 1925, previu o fenômeno que hoje se conhece como condensado de Bose-Einstein: um estado de matéria em que o comportamento estatístico de átomos (bosônicos) se altera drasticamente quando são arrefecidos em temperaturas muito próximas do zero absoluto. No entanto, o primeiro condensado de Bose-Einstein foi produzido em laboratório apenas no ano de 1995.
Para Gustavo Telles, pesquisador do Grupo de Óptica do Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP, a mera produção dos condensados deixou de ser o foco dos grupos de pesquisa há muito tempo. Hoje, as questões que motivam novas pesquisas nessa área estão direcionadas às aplicações que podem surgir a partir desse estado de matéria, sobretudo porque, quando os átomos são resfriados, eles perdem energia, podendo ser observados e precisamente controlados.
Sabendo disso, em um estudo recentemente publicado na Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), Telles e seus colaboradores descreveram a observação de uma similaridade “impressionante” entre a expansão em queda livre de um condensado de Bose-Einstein perturbado por um campo magnético e a propagação espacial de um feixe de laser com speckle (na comunidade científica, esse “feixe de laser com speckle” significa que o padrão de distribuição do laser passou por um processo de irregularidade, através de uma superfície rugosa) obtido a partir de uma simulação computacional.
Nesse estudo, os pesquisadores produziram um condensado com temperatura típica de aproximadamente 200/300 nanokelvins (nK) (cerca de -273 ºC), provocaram uma excitação magnética na minúscula nuvem de matéria (um campo magnético a chacoalhou por alguns milissegundos), a libertaram do campo e, com o auxílio de um feixe de laser, fotografaram a expansão da nuvem de átomos. Em seguida, obtiveram a simulação da propagação de um feixe de laser irregular e a compararam com o processo de expansão do condensado. De acordo com Telles, a perturbação e a irregularidade foram importantes para seu trabalho, porque já se estabeleceu a comparação direta entre condensado de bose-einstein e feixe de laser, sem a aplicação desses processos de alteração.
Em seu trabalho, Telles notou que o condensado perturbado e o feixe de laser com speckle se expandem de maneira similar (confira nas imagens abaixo). No entanto, segundo o pesquisador, a propagação espacial não é a única semelhança entre ambos, tendo em vista que eles são formados por partículas chamadas bósons e se propagam em forma de ondas. Em razão dessas semelhanças e com base no conhecimento que o Grupo de Óptica tem acerca do uso de laser, Telles crê que novos estudos podem ser feitos, objetivando um entendimento mais completo do comportamento e da propagação do condensado de Bose-Einstein fora de equilíbrio.
Durante o estudo, os pesquisadores aplicaram conceitos matemáticos análogos para entender a expansão do condensado e do laser, tendo ajustado apenas alguns parâmetros para respeitar a realidade (como, por exemplo, o tamanho) de cada matéria, porque, de acordo com o especialista do IFSC, tanto o condensado quanto o laser são fenômenos que não surgem a partir de condições especiais (artificiais).
Nesse sentido, o objetivo principal de Telles e seus colaboradores é encontrar um modelo teórico (conjunto de equações) que permita explicar o fenômeno comportamental e de propagação de condensado perturbado e feixe de laser irregular.
Flexibilidade atômica
Para o cientista, embora ainda não sejam tão robustos e talvez nem se tornem diretamente um produto, condensados de Bose-Einstein são sistemas flexíveis. O pesquisador diz que hoje, por exemplo, pequenas nuvens atômicas com mínima energia podem ser utilizadas em gravímetros precisos (medem a gravidade), magnetômetros (medem campos magnéticos), bem como computadores quânticos cuja eficiência pode ser superior à de computadores convencionais (clássicos), na resolução de problemas específicos. Além disso, segundo o especialista, átomos frios têm sido aplicados em relógios atômicos mais precisos, usados em todos os sistemas de TV e informação, bem como em sistemas que auxiliam a navegação por qualquer meio de transporte.
Aliás, de acordo com Gustavo Telles, os condensados de Bose-Einstein podem ser “preparados” em uma infinidade de condições especiais e, assim, auxiliar na predição de resultados inéditos e ajudar a testar teorias de diferentes áreas do conhecimento, como, por exemplo, da astronomia, tendo em vista que, segundo ele, uma coleção de átomos sem energia, preparada em condição especial, pode apresentar um comportamento semelhante ao observado em estrelas de alta energia.
“De uma maneira interessante, eles [os condensados de Bose-Einstein] são colocados em condições de prever resultados de interesse para a física da matéria condensada”, explica o pesquisador do IFSC, referindo-se a materiais – como, por exemplo, cristais e metais – cujos arranjos atômicos podem ser mimetizados em laboratório, com o auxílio dos condensados e com a finalidade de analisar determinados comportamentos de materiais, com potencial para aplicações em áreas da medicina ou tecnologia, por exemplo. “A natureza sabe a solução correta dos sistemas. Nós é que precisamos de experimentos e teorias.”
O trabalho publicado na PNAS foi desenvolvido por Telles, em colaboração com os pesquisadores Pedro Tavares (IFSC), Amilson Fritsch (IFSC), Mahir Hussein (Instituto Tecnológico da Aeronáutica – ITA), François Impens (Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ), Robin Kaiser (Université Nice Sophia Antipolis / Institut Non-Linéaire de Nice / CNRS – França) e Vanderlei Bagnato (IFSC), com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) e Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
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