Visão aérea de um cristal de gravidade usando esferas de alumínio do tamanho de mm colocadas em uma superfície condutora em forma de tigela. A alta tensão de um gerador Van de Graaff foi aplicada na superfície inferior (grafite) e uma janela condutora transparente colocada alguns centímetros acima das bolas. Uma vez carregada, as esferas de alumínio se repelem, eventualmente formando um padrão periódico com ordem de curto e longo prazo. Crédito:Alexander Bataller
Pegue uma tigela da sua cozinha, jogue um punhado de bolas de alumínio, aplique um pouco de alta tensão, e assista a uma dança elegante se desenrolar onde as partículas se reorganizam em um padrão distinto de "cristal". Este curioso comportamento pertence ao fenômeno conhecido como cristalização de Wigner, onde partículas com a mesma carga elétrica se repelem para formar uma estrutura ordenada.
A cristalização de Wigner foi observada em vários sistemas, variando de partículas do tamanho de grãos de areia suspensos em pequenas nuvens de elétrons e íons (chamadas de plasma empoeirado) até o interior denso de estrelas do tamanho de planetas, conhecidas como anãs brancas. O professor Alex Bataller, da North Carolina State University, descobriu recentemente que a cristalização de Wigner dentro das anãs brancas pode ser estudada em laboratório usando uma nova classe de sistemas clássicos, chamados de cristais de gravidade.
Para que ocorra o curioso comportamento da cristalização de Wigner, deve haver um sistema composto de partículas carregadas que são livres para se mover (plasma), que interagem fortemente entre si (partículas fortemente acopladas), e tem a presença de uma força de confinamento para evitar que as partículas de plasma explodam repulsivamente, afastando-se umas das outras.
Para estudar esta condição para pequenas escalas em laboratório, O Dr. Bataller desenvolveu um novo arranjo que coloca esferas de metal em contato com uma superfície confinante de alta tensão, que carrega as esferas transferindo centenas de milhões de elétrons para sua superfície, e, assim, aumenta a repulsão de partículas, e também mantém as partículas contidas. Além disso, quando as esferas rolam sobre a superfície, seu movimento produz atrito que reduz rapidamente a energia cinética e promove forte acoplamento.
A flexibilidade do conceito de cristal de gravidade permite a exploração da mesma física que governa a estratificação de oxigênio-carbono em estrelas anãs brancas frias. Isso pode ser observado pela mistura de diferentes esferas de massa (cobre e alumínio) na "tigela de Alina, "uma tigela de mistura rasa de aço inoxidável para cozinha. Assim que a tensão for aplicada, as bolas de cobre mais pesadas "afundam" no centro da tigela e se separam das bolas de alumínio mais leves. Crédito:Alexander Bataller
O principal insight que permitiu a presente descoberta foi usar a gravidade como força limitadora. Desta maneira, pequenas esferas carregadas podem ser confinadas gravitacionalmente usando uma geometria simples ... uma tigela.
Usando o confinamento gravitacional, O Dr. Bataller descobriu que a cristalização de Wigner também pode ser estendida a dimensões macroscópicas com partículas um milhão de vezes mais massivas do que seu primo de plasma empoeirado, que agora pode ser usado para estudar outros sistemas de cristal. Por exemplo, os cristais de gravidade podem simular uma característica curiosa das estrelas anãs brancas chamada sedimentação. Foi descoberto recentemente que camadas de cristal estratificado podem se formar dentro de estrelas anãs brancas contendo oxigênio e carbono, onde o oxigênio mais pesado "afunda" no núcleo. O arranjo de cristal de gravidade reproduz esse efeito de camadas ao aplicar alta tensão a um sistema inicialmente misturado de bolas de cobre e alumínio. Análogo à sedimentação em estrelas anãs brancas, as bolas de cobre gravitam em direção ao centro da tigela, enquanto mantêm uma estrutura de cristal.
As propriedades do plasma e o ambiente externo de um cristal de gravidade e uma estrela anã branca são tão diferentes quanto se possa imaginar, no entanto, ambos os sistemas exibem comportamento semelhante, o que demonstra a natureza robusta da cristalização de Wigner.
"A rica diversidade de sistemas onde observamos a cristalização de Wigner é um resultado direto de sua natureza independente de escala, "Dr. Bataller disse." Os cristais de gravidade estendem esse fenômeno às dimensões humanas, embora necessitem de recursos mínimos. O que mais me entusiasma nesta nova plataforma é que praticamente qualquer pessoa curiosa pode recriar este fascinante estado da matéria que, até agora, foi limitado a experimentos de milhões de dólares e dentro do denso interior das estrelas. "
