Vamos começar o artigo com os versos de um forró A Natureza das Coisas, de Flávio José:
Observe quem vai subindo a ladeira / Seja princesa ou seja lavadeira / Pra ir mais alto, vai ter que suar
Para além de uma linda canção, o recorte está cientificamente correto. Para subir mais alto na ladeira, é preciso dispor de energia. Para um físico, este é o problema de duas bolinhas de gude (a princesa e a lavadeira) que são lançadas com uma velocidade inicial v, expressa prontamente em energia cinética. A ladeira tem uma altura h e, portanto, uma energia potencial a superar. Se a energia cinética for igual à energia potencial, a bolinha atinge o topo da ladeira.
Por outro lado, se a energia cinética for menor, ela nem chega ao topo. E isso é completamente compreensível, porque, quando crianças, arremessamos bolas, subimos ladeiras (ou barreiras de energia potencial para os físicos)… Já para Dorothy (o nosso elétron, companheiro de cada semana), não funciona assim… Para variar, para ele, tudo pode ser diferente. Ou não.
O fato é que ele tem uma carta na manga chamada tunelamento quântico… No mundo clássico, seria algo como esperar que a bolinha de gude tivesse encontrado um túnel e o atravessasse de um lado a outro sem precisar, portanto, subir a montanha.
Só que, no mundo quântico, a barreira de potencial não tem furos e sua energia pode ser maior do que a do elétron. Se Dorothy fosse humana, nestas condições, jamais apareceria do outro lado da barreira…. Porém, partículas atômicas ou subatômicas também podem ser ondas de matéria. E, nesta abordagem ondulatória, há probabilidade não nula de atravessar toda a barreira de potencial, ou seja, ela pode (e aparece) do outro lado.
No caso quântico, elétrons com energia cinética inferior a uma barreira de potencial dispõem de uma densidade de probabilidade de permanecer à esquerda da barreira, mas também de uma densidade de probabilidade de aparecer à direita da barreira, sendo, portanto, transmitidos.
Para facilitar esta análise, façamos uso dos coeficientes de reflexão e de transmissão, que correspondem às proporções de elétrons refletidos e transmitidos, respectivamente.
Se fossem partículas, poderíamos dizer que de 100 elétrons arremessados contra a barreira, todos seriam refletidos (reflexão de 100% e transmissão de 0%). Como os elétrons se comportam também como ondas, o que se observa são valores de reflexão inferiores a 100% e portanto, transmissão maior que 0%. Ou seja, dos 100 elétrons lançados contra a barreira de potencial, alguns passam para o lado oposto. Embora sejam poucos os elétrons que tunelam, isto significa que correntes podem ser geradas com controle muito fino.
Do ponto de vista experimental, o fenômeno de tunelamento é observado quando elétrons são arrancados de placas metálicas submetidas a um gradiente de potencial muito elevado. Dispositivos eletrônicos que exploram esse fenômeno são os diodos Esaki, que são junções pn altamente dopadas, possibilitando o tunelamento na junção semicondutora e o uso em dispositivos eletrônicos de alta velocidade. E não apenas o diodo, mas também a microscopia eletrônica de tunelamento e demais dispositivos eletrônicos fazem a mecânica quântica deixar de ser este patinho feio, incompreendido, e passar a ser a fonte de tecnologias que viabilizam computadores mais rápidos e equipamentos que nos levam a ver o mundo nanométrico com mais detalhes.
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Falar de Mecânica Quântica para não físicos. Esta é a intenção da série de textos que vem sendo publicada pelo Portal Nossa Ciência. Depois de abordar a Mecânica quântica de bolso; Os elétrons na nossa rotina e a quântica que os habita; Ondas e partículas; e O gato de Schrödinger, o professor Helinando Oliveira chega ao quinto texto da série.
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