No mundo da pesquisa, difusão é entendida como um processo no qual minúsculas partículas se dispersam uniformemente em um gás ou líquido. Embora essas mídias sejam feitas de partículas individuais, a difusão é percebida como um processo contínuo. Até aqui, os efeitos de uma colisão individual entre partículas - a pedra angular da difusão - não foram observados. Agora, físicos em Kaiserslautern e Erlangen conseguiram observar as etapas fundamentais da difusão por átomos individuais em um gás e forneceram uma descrição teórica desse mecanismo. O estudo foi publicado na renomada revista. Cartas de revisão física .

Quase duzentos anos atrás, o médico e pesquisador escocês Robert Brown observou que as partículas de pólen estremecem à medida que se movem através de um líquido. Micro-particulas, como moléculas ou átomos, exibem comportamento semelhante à medida que se dispersam em gases e líquidos. Resultante de um grande número de colisões aleatórias, as partículas mostram um padrão de movimento em zigue-zague, fazendo com que várias substâncias se misturem. Os cientistas se referem a esses movimentos em zigue-zague como "movimento browniano" e à dispersão e mistura de várias substâncias como difusão.

"A difusão é um fenômeno chave em muitas áreas da ciência e forma a base para vários processos de transporte, por exemplo, em células vivas ou dispositivos de armazenamento de energia, "diz o professor Artur Widera, que conduz pesquisas sobre a física quântica de átomos individuais e gases quânticos ultracold na TU Kaiserslautern. "É por isso que é importante compreender os processos de difusão em quase todas as áreas das ciências da vida, as ciências naturais, e desenvolvimento tecnológico. "

Um fácil, compreensão simplificada da difusão pode ser obtida desconsiderando as colisões individuais entre as partículas. "Nesse contexto, também falamos de um meio contínuo com, por exemplo, uma partícula maior difundindo-se nele. Essa simplificação se torna ainda mais precisa à medida que a massa das partículas no meio se torna menor e a frequência das colisões se torna mais alta, "diz o Dr. Michael Hohmann, que é pesquisador do grupo do Professor Widera e primeiro autor deste estudo. Um exemplo do dia a dia é o nevoeiro, que também pode ser visto como um meio desse tipo, embora na verdade consista em minúsculas gotículas de água individuais.

Para seus experimentos, os físicos trabalhando sob Widera ajustaram as condições que caracterizam um meio contínuo:"Em vez de partículas grandes, como pólen, estudamos a difusão de átomos individuais que têm quase a mesma massa que os átomos do gás. Além disso, usamos um muito frio, diluir o gás a fim de reduzir drasticamente a frequência das colisões, "explica Hohmann. Ao fazer isso, os pesquisadores baseados em Kaiserslautern observaram, pela primeira vez, como os átomos de césio se difundem a uma temperatura próxima ao zero absoluto em um gás composto de átomos de rubídio. “Estas são temperaturas que nenhum refrigerador pode reproduzir, então usamos feixes de laser para resfriar os átomos e mantê-los no lugar em um aparelho a vácuo. Isso desacelerou a difusão a tal ponto que o efeito de colisões individuais pôde ser observado, "explica o professor Widera a respeito da configuração experimental.

Para a descrição teórica do experimento, os pesquisadores em Kaiserslautern receberam assistência de seu colega Professor Eric Lutz, professor de física teórica na Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), que os ajudou a desenvolver a modelagem matemática. "Com o novo modelo, agora podemos descrever os movimentos dos átomos com mais precisão, "diz o pesquisador baseado em Erlangen. Juntos, eles mostraram que é suficiente alterar o coeficiente de atrito no cálculo teórico do modelo contínuo. Ao fazê-lo, também é possível descrever casos que não envolvem um meio contínuo, como no experimento acima. Exemplos de tais casos incluem quando os aerossóis - misturas de partículas suspensas - se dispersam em finas camadas de ar na atmosfera superior, no espaço interestelar ou em sistemas de vácuo.