Físicos construíram um condutor perfeito a partir de átomos ultrafrios
Na física cotidiana, o transporte descreve como as coisas se movem de um lugar para outro. A carga elétrica flui pelos fios, o calor se espalha pelo metal e a água viaja pelos canos. Em cada caso, os cientistas podem medir a facilidade com que a carga, a energia ou a massa se movem através de um material. Em condições normais, esse movimento é retardado por fricção e colisões, criando uma resistência que enfraquece ou eventualmente interrompe o fluxo.
Pesquisadores da TU Wien demonstraram agora uma rara exceção. Numa experiência cuidadosamente concebida, observaram um sistema físico no qual o transporte não se degrada de todo.
Um gás ultrafrio com fluxo perfeito
A equipe confinou milhares de átomos de rubídio para que pudessem se mover apenas ao longo de uma única linha reta, usando uma combinação de campos magnéticos e ópticos. Esta configuração produziu um gás quântico ultrafrio no qual tanto a energia quanto a massa se movem com total eficiência. De acordo com resultados publicados na revista Ciênciao fluxo permanece constante e inalterado mesmo após inúmeras colisões atômicas. A descoberta revela uma forma de transporte que se comporta de forma muito diferente do que é visto na matéria comum.
Dois tipos fundamentais de transporte
“Em princípio, existem dois tipos muito diferentes de fenómenos de transporte”, diz Frederik Møller, do Atominstitut da TU Wien. “Falamos de transporte balístico quando as partículas se movem livremente e cobrem o dobro da distância no dobro do tempo – como uma bala viajando em linha reta.”
O segundo tipo é conhecido como transporte difusivo, que ocorre quando o movimento é dominado por colisões aleatórias. A condução de calor é um exemplo clássico. Quando as partículas mais quentes interagem com as mais frias, a energia e o momento são gradualmente partilhados até que as temperaturas se equilibrem em todo o sistema.
“Este tipo de transporte não é linear”, diz Møller. “Para cobrir o dobro da distância, normalmente você precisa de quatro vezes mais tempo.”
Por que a difusão falha neste experimento
O comportamento observado na experiência da TU Wien não seguiu nenhum dos padrões familiares. Em vez de se espalhar por difusão, o fluxo atômico permaneceu bem definido. “Ao estudar a corrente atômica, pudemos ver que a difusão é praticamente totalmente suprimida”, diz Møller. “O gás se comporta como um condutor perfeito; mesmo que ocorram inúmeras colisões entre os átomos, quantidades como massa e energia fluem livremente, sem se dissiparem no sistema.”
Uma versão quântica do berço de Newton
Os pesquisadores explicam esse efeito usando uma analogia com um berço de Newton, o dispositivo de mesa com uma fileira de bolas de metal suspensas. Quando uma bola é lançada, seu impulso passa direto pela linha e faz com que a bola na outra extremidade balance para fora, enquanto as outras mal se movem.
“Os átomos do nosso sistema só podem colidir numa única direção”, explica Møller. “Seus momentos não são dispersos, mas simplesmente trocados entre parceiros de colisão. O momento de cada átomo permanece conservado – ele só pode ser transmitido, nunca perdido.”
Por que o gás nunca atinge o equilíbrio térmico
Como num berço de Newton, o movimento neste sistema atômico continua sem desaparecer. A energia e o momento viajam através do gás indefinidamente, em vez de se dispersarem na forma de calor, que é o que acontece na maioria dos materiais.
“Estes resultados mostram porque é que uma nuvem atómica deste tipo não termaliza – porque é que não distribui a sua energia de acordo com as leis habituais da termodinâmica”, diz Møller. “Estudar o transporte sob condições tão perfeitamente controladas poderia abrir novos caminhos para compreender como a resistência surge, ou desaparece, no nível quântico.”
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