Uma nova pesquisa feita por físicos da Universidade de Chicago resolve um antigo desacordo sobre a formação de partículas quânticas exóticas conhecidas como moléculas Efimov.

As evidências, publicado no mês passado em Física da Natureza , abordar as diferenças entre como os teóricos dizem que as moléculas de Efimov deveriam se formar e como os pesquisadores dizem que elas se formaram nos experimentos. O estudo descobriu que a imagem simples que os cientistas formularam com base em quase 10 anos de experimentação estavam erradas - um resultado que tem implicações para a compreensão de como as primeiras moléculas complexas se formaram no universo primitivo e como os materiais complexos surgiram.

As moléculas Efimov são objetos quânticos formados por três partículas que se ligam quando duas partículas são incapazes de fazê-lo. As mesmas três partículas podem formar moléculas em uma gama infinita de tamanhos, dependendo da força das interações entre eles.

Experimentos mostraram que o tamanho de uma molécula de Efimov era aproximadamente proporcional ao tamanho dos átomos que a compõem - uma propriedade que os físicos chamam de universalidade.

"Esta hipótese foi verificada e verificada novamente várias vezes nos últimos 10 anos, e quase todos os experimentos sugeriram que este é realmente o caso, "disse Cheng Chin, um professor de física na UChicago, quem lidera o laboratório onde as novas descobertas foram feitas. "Mas alguns teóricos dizem que o mundo real é mais complicado do que essa fórmula simples. Deve haver alguns outros fatores que quebrarão essa universalidade."

As novas descobertas ocorrem em algum ponto entre as descobertas experimentais anteriores e as previsões dos teóricos. Eles contradizem ambos e eliminam a ideia de universalidade.

"Devo dizer que estou surpreso, "Chin disse." Este foi um experimento em que eu não antecipei o resultado antes de obter os dados. "

Os dados vieram de experimentos extremamente sensíveis feitos com átomos de césio e lítio usando técnicas desenvolvidas por Jacob Johansen, anteriormente um estudante de graduação no laboratório de Chin, que agora é um pós-doutorado na Northwestern University. Krutik Patel, um estudante de graduação na UChicago, e Brian DeSalvo, um pesquisador de pós-doutorado na UChicago, também contribuiu para o trabalho.

“Queríamos poder dizer de uma vez por todas que, se não víssemos nenhuma dependência dessas outras propriedades, então há realmente algo muito errado com a teoria, "Johansen disse." Se víssemos dependência, então estamos vendo o colapso dessa universalidade. É sempre bom, como cientista, para resolver esse tipo de questão. "

Desenvolvendo novas técnicas

As moléculas Efimov são mantidas juntas por forças quânticas, e não pelas ligações químicas que unem moléculas familiares como H2O. Os átomos estão tão fracamente conectados que as moléculas não podem existir em condições normais. Calor em uma sala fornecendo energia suficiente para quebrar suas ligações.

Os experimentos da molécula Efimov foram feitos em temperaturas extremamente baixas - 50 bilionésimos de grau acima do zero absoluto - e sob a influência de um forte campo magnético, que é usado para controlar a interação dos átomos. Quando a intensidade do campo está em um particular, curto alcance, a interação entre os átomos se intensifica e as moléculas se formam. Ao analisar as condições precisas em que ocorre a formação, os cientistas podem inferir o tamanho das moléculas.

Mas controlar o campo magnético com precisão suficiente para fazer as medições que Johansen buscava é extremamente difícil. Mesmo o calor gerado pela corrente elétrica usada para criar o campo foi o suficiente para mudar esse campo, tornando difícil a reprodução em experimentos. O campo podia flutuar em um nível de apenas uma parte em um milhão - mil vezes mais fraco do que o campo magnético da Terra - e Johansen teve que estabilizá-lo e monitorar como ele mudava ao longo do tempo.

A chave foi uma técnica que ele desenvolveu para sondar o campo usando eletrônica de micro-ondas e os próprios átomos.

"Eu considero o que Jacob fez um tour de force, "Ele pode controlar o campo com alta precisão e realizar medições muito precisas do tamanho dessas moléculas Efimov e, pela primeira vez, os dados realmente confirmam que há um desvio significativo da universalidade."

As novas descobertas têm implicações importantes para a compreensão do desenvolvimento da complexidade dos materiais. Os materiais normais têm diversas propriedades, que não poderia ter surgido se seu comportamento no nível quântico fosse idêntico. O sistema Efimov de três corpos coloca os cientistas exatamente no ponto em que o comportamento universal desaparece.

"Qualquer sistema quântico feito com três ou mais partículas é muito, problema muito difícil, "Chin disse." Só recentemente nós realmente temos a capacidade de testar a teoria e compreender a natureza de tais moléculas. Estamos progredindo na compreensão desses pequenos aglomerados quânticos. Este será um bloco de construção para a compreensão de materiais mais complexos. "