Os condensados de Bose-Einstein não foram criados em laboratório até a década de 1990

Uma ilustração de um "super-fóton" criado quando os físicos transformaram os fótons de luz em um estado de matéria chamado condensado de Bose-Einstein. Crédito da imagem: Jan Klaers, Universidade de Bonn

Dos cinco estados em que a matéria pode estar, o condensado de Bose-Einstein é talvez o mais misterioso. Gases, líquidos, sólidos e plasmas foram todos bem estudados por décadas, senão séculos. 

Um condensado de Bose-Einstein é um grupo de átomos arrefecido em um fio de cabelo em zero absoluto. Quando atingem essa temperatura, os átomos dificilmente se movem em relação uns aos outros; eles quase não têm energia livre para fazê-lo. Nesse ponto, os átomos começam a se agrupar e entrar nos mesmos estados de energia. Eles se tornam idênticos, do ponto de vista físico, e todo o grupo passa a se comportar como se fosse um único átomo.

Para fazer um condensado de Bose-Einstein, você começa com uma nuvem de gás difusa. Muitos experimentos começam com átomos de rubídio. Em seguida, você o resfria com lasers, usando os feixes para retirar energia dos átomos. Depois disso, para resfriá-los ainda mais, os cientistas usam o resfriamento evaporativo. "Com um [condensado de Bose-Einstein], você começa de um estado desordenado, onde a energia cinética é maior do que a energia potencial", disse Xuedong Hu, professor de física da Universidade de Buffalo. "Você esfria, mas não forma uma estrutura como um sólido." 

Em vez disso, os átomos caem nos mesmos estados quânticos e não podem ser distinguidos uns dos outros. Nesse ponto, os átomos começam a obedecer às chamadas estatísticas de Bose-Einstein, que geralmente são aplicadas a partículas que você não consegue distinguir, como os fótons.

Teoria e descoberta

Os condensados de Bose-Einstein foram previstos teoricamente pela primeira vez por Satyendra Nath Bose (1894-1974), um físico indiano que também descobriu a partícula subatômica que deu seu nome, o bóson. Bose estava trabalhando em problemas estatísticos em mecânica quântica e enviou suas ideias para Albert Einstein. Einstein os considerou importantes o suficiente para publicá-los. Tão importante quanto, Einstein viu que a matemática de Bose - mais tarde conhecida como estatística de Bose-Einstein - poderia ser aplicada aos átomos assim como à luz. 

O que os dois descobriram foi que normalmente os átomos precisam ter certas energias, na verdade, um dos fundamentos da mecânica quântica é que a energia de um átomo ou de outra partícula subatômica não pode ser arbitrária. É por isso que os elétrons, por exemplo, têm "orbitais" discretos que precisam ocupar e que emitem fótons de comprimentos de onda específicos quando caem de um orbital, ou nível de energia, para outro. Mas resfrie os átomos até um nível de bilionésimos de um grau de zero absoluto e alguns átomos começam a cair no mesmo nível de energia, tornando-se indistinguíveis. 

É por isso que os átomos em um condensado de Bose-Einstein se comportam como "superatomos". Quando se tenta medir onde eles estão, em vez de ver átomos discretos, vê-se mais como uma bola difusa. 

Todos os outros estados da matéria seguem o Princípio de Exclusão de Pauli, em homenagem ao físico Wolfgang Pauli. Pauli (1900-1958) foi um físico teórico suíço e americano nascido na Áustria e um dos pioneiros da física quântica. Diz que os férmions, os tipos de partículas que constituem a matéria, não podem estar em estados quânticos idênticos. É por isso que, quando dois elétrons estão no mesmo orbital, seus spins precisam ser opostos, de modo que somam zero. Essa, por sua vez, é uma das razões pelas quais a química funciona da maneira que funciona e uma das razões pelas quais os átomos não podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo. Os condensados de Bose-Einstein quebram essa regra.

Embora a teoria afirmasse que tais estados da matéria deveriam existir, não foi até 1995 que Eric A. Cornell e Carl E. Wieman, ambos do Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) em Boulder, Colorado, e Wolfgang Ketterle, do O Instituto de Tecnologia de Massachusetts, conseguiu fazer um, pelo qual eles receberam o Prêmio Nobel de Física de 2001. 

Em julho de 2018, um experimento a bordo da Estação Espacial Internacional resfriou uma nuvem de átomos de rubídio a dez milionésimos de grau acima do zero absoluto, produzindo um condensado de Bose-Einstein no espaço. O experimento agora também detém o recorde do objeto mais frio que conhecemos no espaço, embora ainda não seja a coisa mais fria que a humanidade já criou.

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Recursos adicionais

Anúncio do Prêmio Nobel de Física de 2001

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Referência: 

EMSPAK, Jesse. States of Matter: Bose-Einstein Condensate. Live Science, 03, ago. 2018. Disponível em: <https://www.livescience.com/54667-bose-einstein-condensate.html>. Acesso em: 30, jul. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.