E nossa série de mecânica quântica (que hoje chega ao número 13) contou com duas participações especiais nas últimas semanas, do professor Celso Pinto de Melo (meu orientador desde sempre) e de Jéferson Guimarães, jovem que foi meu orientando de IC e hoje faz doutorado na Alemanha. A eles, meu muito obrigado carinhoso e a certeza de que fecharam brilhantemente a temática dos computadores quânticos nesta série. E nesta reta final da temática (prevista para 15 artigos) – tal qual um semestre da graduação (que dura 15 semanas) – iremos ver que, para além dos qubits, a mecânica quântica também serve para desenvolver sensores de altíssima precisão e para uma vasta gama de aplicações. E, para chegar até eles, nesta semana trataremos dos átomos de Rydberg.
Desde o ensino médio, passamos a entender a estrutura da matéria a partir do modelo de um núcleo massivo, composto por prótons e nêutrons, envolto por elétrons que orbitam ao redor dele. Para um total de z prótons de carga +1 se tem uma carga elétrica +z e um total de z elétrons de carga -1 ocupando apenas estados de energia específicos, daí o conceito básico da quântica. Para o átomo de hidrogênio, por exemplo, em que z=1, há apenas um elétron orbitando em torno de um núcleo com um próton. Por volta de 1890, o espectroscopista Johannes Rydberg descreveu o espectro de frequências do átomo de hidrogênio de forma completamente empírica.
Pois bem… Átomos com muitos elétrons podem ser descritos pela física dos átomos de Rydberg em algumas situações. Ou seja, em condições específicas, átomos completamente distintos podem comportar-se como átomos de hidrogênio. Para atingir tal situação, o elétron mais externo do átomo deve ser excitado para um nível eletrônico muito alto, de modo que sua órbita fique muito afastada da dos demais elétrons. Para este elétron, o caroço iônico tem carga +1 e sua interação ocorre nestes termos, podendo o conjunto ser tratado como um pseudoátomo de hidrogênio, o que o torna passível de descrição pela fórmula de Rydberg, caracterizando-o como um átomo de Rydberg.
Átomos gigantes
Estamos falando de átomos gigantes com n da ordem de centenas. Considerando que o tempo de vida típico para elétrons decaírem em átomos comuns é relativamente curto, isso seria bruscamente afetado em átomos de Rydberg (com tempos de vida muito longos). Além de serem gigantes, estes átomos são muito sensíveis a campos magnéticos e elétricos, o que possibilita a produção de sensores com limites de detecção muito acima do estado da arte.
Como esta série é para não físicos, permitam-me fazer comparações até certo ponto imprecisas: o átomo de Rydberg poderia também ser associado analogamente a uma família que manda um filho estudar muito longe de casa – enquanto que os outros ficam próximos aos pais, há um deles que foi para longe e que mantém uma relação muito estreita de interação – liga todo dia, conversa, sente falta… Interage. E por isso mesmo é o foco da atenção da família: ele seria o mais suscetível a perturbações externas, pela distância do cuidado dos pais, o seu núcleo familiar.
Voltando para a física: manter um átomo de Rydberg pode requerer condições especiais, como as oferecidas por câmaras de aprisionamento magnético-óptico, pois, como falamos até aqui no mundo quântico, um dos piores inimigos é a temperatura, que naturalmente bagunça tudo. Na próxima semana entraremos em mais detalhes sobre estas aplicações. Por enquanto, sugerimos como leitura adicional uma matéria na Revista Pesquisa FAPESP e outra da Revista New Scientist. As duas são sobre a temática, com destaque para a importância do Brasil nesta área, conforme descrito na revista Pesquisa da FAPESP.
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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