Experimento monitora a trajetória de átomos individuais

Agência CT&I

22 de julho de 2016

Um experimento, realizado no Departamento de Física da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, monitorou a trajetória de átomos individuais e registrou em imagens. O estudo foi realizado pelo doutorando brasileiro Luís Felipe Gonçalves, sua colega tailandesa Nithiwadee Thaicharoen e o supervisor de ambos, Georg Raithel.

A pesquisa rendeu um artigo, assinado pelos três pesquisadores, publicado na revista Physical Review Letters. Gonçalves está concluindo seu doutorado no Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) com bolsa da Fundação de Amparo à Pesquisa do estado de São Paulo (Fapesp). E estagiou em Michigan também com bolsa da agência de fomento.

Um resultado notável do estudo foi a obtenção experimental do valor numérico do parâmetro da interação dipolar entre dois átomos, utilizando imagens da distribuição atômica. Esse parâmetro descreve o quanto a energia de um átomo varia em função da distância em relação a outro átomo próximo. “Foi uma medida direta do parâmetro. E também a primeira visualização, por meio de imagem, desta interação entre dois átomos. Observamos, experimentalmente, que essa interação é de fato anisotrópica, isto é, depende da posição relativa dos átomos”, disse Gonçalves.

O experimento foi realizado com átomos de rubídio (Rb) no interior de uma câmara de ultra-alto vácuo. Aprisionados por uma armadilha magneto-óptica, constituída por três feixes de laser ortogonais e um campo magnético externo, dezenas de milhões de átomos, em seu estado fundamental, foram aprisionados em uma região esférica, com aproximadamente um centímetro de diâmetro, na intersecção das três linhas de luz.

Nesse conjunto, de dezenas de milhões, um pulso de laser excitou um número muito menor de átomos, levando-os do estado fundamental a um chamado estado de Rydberg. Assim denominado em homenagem ao físico sueco Janne Rydberg (1854 –1919), esse estado fortemente excitado corresponde a uma situação na qual, devido ao aporte de energia externa, os elétrons são deslocados para as camadas mais externas do átomo, mas ainda não se desprendem dele. Até este ponto, não houve ionização, portanto.

“Nos estados excitados, esses átomos se tornam muito interagentes. E, neste estado especifico a interação é isotrópica e repulsiva. Uma explicação bastante simplificada é dizer que isso acontece porque os elétrons mais externos se distribuem com igual probabilidade em todas as direções. Devido à repulsão eletromagnética das cargas negativas dos elétrons, os átomos se repelem, mas o fazem de forma isotrópica, isto é, independentemente da direção espacial. Para levar o experimento adiante, o próximo passo foi aplicar um campo elétrico sobre o conjunto”, afirmou o pesquisador.

O campo elétrico externo polarizou cada átomo excitado, fazendo com que os elétrons mais externos se concentrassem, com maior probabilidade, em uma certa região da camada externa. Assim, embora em seu conjunto o átomo seja eletricamente neutro, uma vez que as cargas positivas do núcleo contrabalançam as cargas negativas dos elétrons, ele passa a se comportar em seu interior como um dipolo elétrico. Algo parecido como um pequeno ímã, com um polo positivo, formado pelo núcleo, e um polo negativo, formado pela região de concentração da nuvem eletrônica.

Uma vez polarizados, os átomos passaram a interagir de forma anisotrópica, atraindo-se ou repelindo-se de acordo com sua posição relativa – mais precisamente, de acordo com o ângulo formado pela direção do campo elétrico externo e o eixo internuclear.

Propelidos pela atração ou repulsão elétricas, os átomos puderam evoluir ao longo do tempo no interior da armadilha. Até o instante em que um pulso elétrico muito forte, projetado pela ponta de uma agulha ionizou os átomos, arrancando os elétrons mais externos e arremessando os íons ao encontro de um detector.

Ao ser lançado, o feixe de íons se espalha, de modo que a distância entre dois átomos aumenta. Na armadilha, ela é da ordem de poucos micra. Ao incidir no detector, já é da ordem de milímetros. Essa divergência é controlada e pode ser medida. “Medindo as distâncias de todos os íons, dois a dois, obtivemos, para cada disparo, um conjunto de valores para as coordenadas x e y. E convertemos cada par de valores em um ponto de uma matriz bidimensional de correlação”, disse o pesquisador.

A diferença de padrão dos quadros gerados quando os íons se atraem ou repelem mostrou que a interação é de fato anisotrópica. Foi a primeira vez que se obteve uma imagem, a nível atômico, deste efeito. E a medição da evolução das distâncias possibilitou calcular numericamente o valor do parâmetro de interação, confirmando o valor teórico.

(Agência Gestão CT&I, com informações da Agência Fapesp)