Este é o segundo texto da série sobre mecânica quântica para não físicos, uma iniciativa de divulgação científica do professor Helinando Oliveira. Mecânica quântica de bolso foi o primeiro texto.
Átomo como pudim de passas
Na escola, temos um primeiro contato com o conceito de átomos como pudins de passas. Mais tarde, entendemos esta estrutura como um núcleo orbitado por elétrons. E ainda depois, vemos que, na realidade, tudo é um pouco mais complicado do que parece. No final de tudo, o que prevalece é que a matéria é composta por grandes vazios, já que o núcleo (prótons e nêutrons) é coeso e concentrado, enquanto os elétrons interagem com ele, mesmo estando mais distantes. Com isso, é mais fácil “arrancar” elétrons da interação com seus átomos e liberá-los para correrem em alguma direção.
A vantagem dessa corrida é que o fluxo de elétrons (a corrente elétrica) pode ser controlado por uma força elétrica e eles podem realizar trabalho para nós. Há trabalhos mais dignos para os elétrons e outros nem tanto. O que dizer de sair de sua rotina para simplesmente aquecer a água? Pois é. Isso é o que fazemos com o nosso velho chuveiro elétrico. Lá dentro há um fio em forma de serpentina feito de um material que pode aquecer muito sem derreter… Ele tem resistência à passagem de elétrons, o que faz com que as colisões dos “corredores” gerem calor.
Para fazer os elétrons correrem, ligamos a resistência elétrica na rede (110V ou 220V) e esta tensão faz com que muitos elétrons ousem se atirar contra este terreno acidentado no afã de chegar ao outro lado. Ledo engano: sua energia cinética é logo convertida em calor, e a água que passa pelo fio aquecido absorve esse calor e chega até nós como água quente – junto ao barulho das gotículas de água que tocam a resistência, o que parece com o que acontece na frigideira. Sem a água para receber o calor, a resistência aqueceria até queimar.
Respeito pelos elétrons
Neste ponto, vale ressaltar a necessidade de bons aterramentos para chuveiros e que tensão é o termo mais adequado (voltagem é apropriação de língua alheia). Sobre o aterramento, é importante mencionar que o maior reservatório de cargas a que temos acesso é a superfície do planeta Terra – e, se dermos a chance, os elétrons migram para lá com toda a facilidade. É fundamental que a manutenção de seu chuveiro esteja em dia para evitar que, em caso de falha, os elétrons passem por você em direção ao chão. E por que eles escolheriam este caminho? Na falta de um fio que conduza os elétrons até a terra, eles identificarão como atraente o caminho da água que cai até você e, então, até seu corpo, com tantos líquidos iônicos. Como dizia meu velho professor de eletricidade: “Não precisa ter medo, basta ter um profundo respeito pelos elétrons”.
O exemplo menos digno de uso de um elétron, de fato, seria o do chuveiro elétrico, vide seu impacto na conta de luz– guardadas as devidas proporções, seria algo como usar um carro de milhões de reais para se chocar contra um muro e usar o calor do choque para fazer um café. Só que o elétron não é um carro nem a parede é de concreto. Se fossem, haveria a possibilidade de o carro aparecer ileso do outro lado da parede, como se houvesse um túnel invisível por trás dela. Loucura? No mundo clássico, sim. Mas para elétrons e as barreiras de potencial, isso é muito comum e se chama tunelamento quântico. Em outra oportunidade falaremos desse processo.
Transistor de elétron único
Hoje estamos interessados em entender os processos de transporte de elétrons. Na rotina dos nossos banhos, jogamos muitos deles na resistência elétrica, geramos calor e ponto final. Porém, na semana passada demos uma aplicação mais nobre para os elétrons, que foi o de ativar portas lógicas de transistores. Vimos que os celulares estão diminuindo e têm cada vez mais transistores em seus chips. Isso quer dizer que os canais que eles atravessam estão cada vez mais estreitos. No limite, chegaremos ao ponto em que passa um elétron por vez.
Este é o transistor de elétron único, do inglês single-electron transistor (SET). O dispositivo teria ilhas condutoras de dimensões quânticas que receberiam (ou não) um elétron por vez, devido ao efeito de bloqueio de Coulomb, decorrente da repulsão entre os próprios elétrons que povoam o ponto quântico. A dificuldade na implementação do SET ainda é a questão da temperatura, pois é necessário manter o dispositivo em baixas temperaturas para funcionar.
O desenvolvimento em escala comercial dos SETs de temperatura ambiente nos conduzirá a eletrônicos de baixíssimo consumo (bom para as baterias) e maior integração (mais velocidade de processamento), o que abre caminho para os computadores quânticos e seus qubits.
Por esta semana é isto. Continue a nos seguir, próxima terça tem mais mecânica quântica sem contas. Até lá.
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Helinando Oliveira é físico, professor titular da Universidade Federal do Vale do São Francisco (Univasf) e atualmente é vice presidente da Academia Pernambucana de Ciência