Os vórtices podem evocar uma imagem mental de redemoinhos e tornados – corpos giratórios de água e ar – mas também podem existir em escalas muito menores. Em um novo estudo publicado na Science, pesquisadores do Weizmann Institute of Science, em conjunto com colaboradores do Technion-Israel Institute of Technology e da Tel Aviv University, criaram, pela primeira vez, vórtices feitos de um único átomo. Esses vórtices podem ajudar a responder a questões fundamentais sobre o funcionamento interno do mundo subatômico e ser usados para aprimorar uma variedade de tecnologias – por exemplo, fornecendo novos recursos para microscópios atômicos.
Os cientistas há muito se esforçam para produzir vários tipos de vórtices em nanoescala em laboratório, com foco recente na criação de feixes de vórtices – fluxos de partículas com propriedades de rotação – onde até mesmo sua estrutura quântica interna pode girar. Vórtices compostos de partículas elementares, elétrons e fótons, foram criados experimentalmente no passado, mas até agora feixes de átomos de vórtices existiam apenas como um experimento mental. “Durante um debate teórico com o Prof. Ido Kaminer do Technion, tivemos a ideia de um experimento que geraria vórtices de átomos individuais”, disse o Dr. Yair Segev, que concluiu recentemente seu doutorado. estudos no grupo do Prof. Edvardas Narevicius do Departamento de Física Química e Biológica de Weizmann.
Na física clássica, os objetos giratórios são frequentemente caracterizados por uma propriedade conhecida como momento angular. Semelhante ao momento linear, ele descreve o esforço necessário para parar um objeto em movimento em suas trilhas, ou melhor, para impedi-lo de girar. Os vórtices – caracterizados pela circulação de fluxo em torno de um eixo – incorporam essa propriedade perfeitamente em seu giro implacável.
No entanto, a propriedade básica do momento angular, que caracteriza os vórtices que ocorrem naturalmente, tanto grandes quanto pequenos, assume uma torção diferente na escala quântica. Ao contrário de seus equivalentes clássicos da física, as partículas quânticas não podem assumir nenhum valor de momento angular; em vez disso, eles só podem assumir valores em porções discretas, ou “quanta”. Outra diferença é a maneira como uma partícula de vórtice carrega seu momento angular – não como uma hélice rígida girando, mas como uma onda que flui e gira em torno de seu próprio eixo de movimento.
Essas ondas podem ser moldadas e manipuladas de forma semelhante à forma como os quebra-mares são usados para direcionar o fluxo da água do mar perto da costa, mas em uma escala muito menor. “Ao colocar obstáculos físicos no caminho de um átomo, podemos manipular a forma de sua onda em várias formas”, diz Alon Luski, um Ph.D. estudante do grupo de Narevicius. Luski e Segev, que liderou a pesquisa junto com Rea David de seu grupo, colaborou com colegas da Universidade de Tel Aviv para desenvolver uma abordagem inovadora para direcionar o movimento dos átomos. Eles criaram padrões de “quebra-mares” nanométricos chamados grades – minúsculos discos de cerâmica, com várias centenas de nanômetros de diâmetro, com padrões de fenda específicos. Quando as fendas são dispostas em forma de garfo, cada átomo que passa por elas se comporta como uma onda que flui por um obstáculo físico, adquirindo assim um momento angular e emergindo como um vórtice giratório. Esses “nano-garfos” foram produzidos por meio de um processo de nanofabricação que foi desenvolvido especificamente para esse experimento pelo Dr. Ora Bitton e Hila Nadler, ambos do Departamento de Apoio à Pesquisa Química de Weizmann.
Para gerar e observar vórtices atômicos, os pesquisadores apontam um feixe supersônico de átomos de hélio nessas grades bifurcadas. Antes de chegar às grades, o feixe passa por um sistema de fendas estreitas que bloqueia alguns dos átomos, transmitindo apenas os átomos que se comportam mais como ondas grandes – aqueles que são mais adequados para serem moldados pelas grades. Quando esses átomos “ondulados” interagem com as “forquilhas”, eles são moldados em vórtices e sua intensidade é registrada e fotografada por um detector.
Isso resulta em uma imagem em forma de donut construída a partir de milhões de átomos de hélio em vórtice que colidem com o detector. “Quando vimos a imagem em forma de donut, sabíamos que havíamos conseguido criar vórtices desses átomos de hélio”, diz Segev. Muito parecido com o “olho” da tempestade, o centro desses “donuts” representa o espaço onde cada vórtice atômico é mais calmo – a intensidade das ondas lá é zero, então nenhum átomo foi encontrado lá. “Os ‘donuts’ são a impressão digital de uma série de feixes de vórtice diferentes”, explica Narevicius.
Durante os experimentos, os pesquisadores fizeram uma observação estranha. “Vimos que, ao lado dos donuts de formato perfeito, havia dois pequenos pontos de ‘ruído’ também”, diz Segev. “No início pensamos que era um defeito de hardware, mas após uma extensa investigação, percebemos que o que estamos vendo são moléculas incomuns, cada uma feita de dois átomos de hélio, que foram unidos em nossos feixes.” Em outras palavras, eles geraram vórtices não apenas de átomos, mas também de moléculas.
Embora os pesquisadores tenham usado hélio em seus experimentos, a configuração experimental pode acomodar estudos de outros elementos e moléculas. Também poderia ser usado para estudar propriedades subatômicas ocultas, como a distribuição de carga de prótons ou nêutrons que podem ser reveladas apenas quando um átomo está girando. Luski dá o exemplo de um relógio mecânico: “Os relógios mecânicos são feitos de pequenas engrenagens e rodas dentadas, cada uma se movendo em uma determinada frequência, semelhante à estrutura interna de um átomo. Agora imagine pegar esse relógio e girá-lo – esse movimento pode mudar o a frequência interna das engrenagens e a estrutura interna também podem ser expressas nas propriedades do vórtice. ”
Além de oferecer uma nova forma de estudar as propriedades básicas da matéria, os feixes de vórtices atômicos podem ser usados em diversas aplicações tecnológicas, como na microscopia atômica. A interação entre átomos girando e qualquer material investigado pode levar à descoberta de novas propriedades desse material, adicionando dados significativos, anteriormente inacessíveis para muitos experimentos futuros.
Publicado em 03/12/2021 08h08
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