Originalmente, o conceito do condensado de Bose-Einstein (BEC) surgiu na década de 1920, a partir dos estudos de Albert Einstein e Satyendra Nath Bose; inclusive, o nome do condensado vem da junção dos sobrenomes dos dois cientistas.
Aproximadamente 70 anos depois, os pesquisadores Eric Cornell e Carl Wieman, da Universidade do Colorado em Boulder, nos Estados Unidos, conseguiram observar pela primeira vez o Bose-Einstein e confirmaram sua existência.
Desde então, pesquisadores da área já observaram o condensado de Bose-Einstein em diferentes experimentos e condições, mas sempre em átomos bosônicos ultrafrios, como o rubídio. A primeira observação foi feita com átomos de rubídio-87, mas, posteriormente, outros testes utilizaram sódio, césio e outros elementos.
De acordo com um estudo publicado na revista científica Nature Materials, um grupo de pesquisadores da Academia Chinesa de Ciências (CAS) e do Australian Nuclear Science and Technology Organisation conseguiu, pela primeira vez, produzir um tipo de condensado de Bose-Einstein (BEC) utilizando pares de magnons.
Como o BEC havia sido observado apenas em átomos bosônicos, os cientistas consideram essa descoberta um avanço significativo para compreender melhor as características desse estado da matéria.
Utilizando o instrumento Multi-frequency High Field Electron Spin Resonance Spectrometer da CAS, a equipe do estudo conseguiu criar esse estado em um sistema magnético — esse equipamento permite observar como elétrons interagem com campos magnéticos. Assim, eles puderam analisar suas propriedades magnéticas e quânticas.
Como esse estado envolve comportamentos quânticos coletivos, ele também pode ajudar os cientistas a compreender melhor um tema muito importante: a supercondutividade.
“O acoplamento de Zeeman a um campo magnético pode ajustar a densidade de partículas por meio de um ponto crítico quântico, além do qual se prevê a existência de uma ‘ordem oculta’... Medições termodinâmicas abrangentes confirmaram o ponto crítico quântico da condensação de Bose-Einstein bidimensional no campo de saturação”, os cientistas descrevem na introdução do estudo.
O que é o condensado de Bose-Einstein
A ciência considera o condensado de Bose-Einstein (BEC) o quinto estado da matéria, após os estados sólido, líquido, gasoso e plasmático. No BEC, os átomos atingem energias extremamente baixas, próximas do zero absoluto (-273,15°C), e deixam de se comportar como partículas individuais. Eles entram em um estado quântico coletivo e começam a agir como se fossem um único superátomo.
Como estão em temperaturas extremamente baixas, nesse estado os átomos deixam de se mover separadamente e começam a se agrupar em um único estado de energia. É como se todos os átomos ainda estivessem presentes, mas se comportassem de maneira unificada. Por isso, a ciência descreve esse estado como se fosse apenas um único superátomo.
Em um experimento para possibilitar um BEC, os cientistas criam uma nuvem de gás difuso resfriada por feixes de laser capazes de remover a energia dos átomos. Em seguida, os átomos passam por um resfriamento evaporativo, que reduz ainda mais sua temperatura.
Como resultado, é formado um condensado de Bose-Einstein a partir de um estado inicialmente desordenado. Gradualmente, os átomos entram em um estado quântico coletivo. Os dados que resultam desses experimentos são utilizados para os cientistas compreenderem melhor a mecânica quântica e a física tradicional.
“O condensado de Bose-Einstein (BEC) é um estado da matéria no qual átomos individuais ou partículas subatômicas, ao serem resfriados até próximo do zero absoluto (0 K, -273,15 °C ou -459,67 °F), se fundem em uma única entidade quântica. Nesse estado, as partículas podem ser descritas por uma única função de onda, formando um sistema coerente em uma escala quase macroscópica”, a enciclopédia Britannica descreve.
Como foi citado, a maioria dos BECs produzidos em laboratório são criados a partir de uma técnica que envolve átomos bosônicos ultrafrios. A grande diferença que o novo estudo aponta é que o experimento foi realizado a partir de pares de magnons.
Bose-Einstein e Magnons
Resumidamente, um magnon é a quasipartícula associada a uma onda de spin, ou seja, uma onda de spin quantizada. Trata-se de uma excitação coletiva dos spins dos elétrons, que transporta energia e momento angular, resultando em uma redução da magnetização em uma substância magnética.
“Quando a direção de um ímã atômico é invertida, a força magnética total do grupo diminui. Uma quantidade definida de energia é necessária para reverter tal ímã. Essa energia, envolvendo a diminuição da força magnética do grupo de átomos, constitui um magnon”, a enciclopédia Britannica acrescenta.
No artigo, os cientistas descrevem como utilizaram pares de magnons para formar um estado condensado quântico: um Bose-Einstein (BEC), mas sem bósons extremamente resfriados. Para realizar o experimento, eles estudaram o material magnético Na2BaNi(PO4)2 com sua estrutura triangular e analisaram seu comportamento magnético quântico.
Durante a pesquisa, os pesquisadores descobriram um método único para parear a interação entre dois magnons, que permitiu que essas quasipartículas entrassem em um estado quântico coletivo semelhante ao observado em um BEC de átomos bosônicos.
Os resultados foram validados por meio de diferentes técnicas, mas como o estudo é um pioneiro no tema, ainda é necessário realizar mais experimentos e análises envolvendo pares de magnons. De qualquer forma, os cientistas acreditam que a descoberta pode auxiliar em uma melhor compreensão de estados quânticos.
As menores estruturas do Universo seguem as regras quânticas e formam tudo o que conhecemos. Quer saber mais? Entenda quais são as partículas fundamentais do Universo. Até a próxima!
