Físicos finalmente mediram uma longa molécula teorizada feita de luz e matéria

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Ilustração de átomos se atraindo por um feixe de luz. (Créditos: Harald Ritsch/Universidade Técnica de Viena)

Traduzido por Julio Batista
Original de Tessa Koumoundouros para o ScienceAlert

Físicos acabaram de captar a luz atuando como parte da ‘cola’ entre os átomos, em uma espécie de molécula livremente ligada.

“Conseguimos pela primeira vez polarizar vários átomos juntos de maneira controlada, criando uma força atrativa mensurável entre eles”, disse Matthias Sonnleitner, físico da Universidade de Insbruque.

Os átomos se conectam para formar moléculas de várias maneiras, todas envolvendo uma troca de cargas como uma espécie de ‘supercola’.

Alguns compartilham seus elétrons carregados negativamente, formando ligações relativamente fortes, como os gases mais simples de dois átomos de oxigênio unidos que respiramos constantemente, aos hidrocarbonetos complexos encontrados flutuando no espaço. Alguns átomos se atraem em virtude de diferenças em sua carga total.

Os campos eletromagnéticos podem alterar os arranjos das cargas ao redor do átomo. Como a luz é um campo eletromagnético que muda rapidamente, uma chuva de fótons adequadamente direcionados pode empurrar os elétrons para posições que – em teoria – poderiam vê-los se unirem.

“Se você ligar agora um campo elétrico externo, essa distribuição de carga muda um pouco”, explicou o físico Philipp Haslinger, da Universidade Técnica de Viena.

“A carga positiva é ligeiramente deslocada em uma direção, a carga negativa ligeiramente na outra direção, o átomo de repente tem um lado positivo e um negativo, e agora está polarizado.”

Haslinger, a física atômica da Universidade Técnica de Viena Mira Maiwöger e colegas usaram átomos de rubídio ultrafrios para demonstrar que a luz pode realmente polarizar átomos da mesma maneira, o que, por sua vez, faz com que átomos neutros se tornem um pouco pegajosos.

“Esta é uma força atrativa muito fraca, então você deve conduzir o experimento com muito cuidado para poder medi-la”, disse Maiwöger.

“Se os átomos têm muita energia e estão se movendo rapidamente, a força atrativa desaparece imediatamente. É por isso que uma nuvem de átomos ultrafrios foi usada.”

A equipe prendeu uma nuvem de cerca de 5.000 átomos abaixo de um chip revestido de ouro, em um único plano, usando um campo magnético.

Foi aqui que eles resfriaram os átomos até temperaturas próximas do zero absoluto (-273 ° C ), formando um quase condensado – então as partículas de rubídio começam a agir coletivamente e compartilham propriedades como se estivessem no quinto estado da matéria, mas não na mesma proporção.

Atingidos por um laser, os átomos experimentaram uma variedade de forças. Por exemplo, a pressão de radiação dos fótons recebidos pode empurrá-los ao longo do feixe de luz. Enquanto isso, as respostas nos elétrons podem atrair o átomo de volta para a parte mais intensa do feixe.

Para detectar a atração sutil que se acredita surgir entre os átomos nessa enxurrada de eletromagnetismo, os pesquisadores precisaram fazer alguns cálculos cuidadosos.

Quando eles desligaram o campo magnético, os átomos caíram livremente por cerca de 44 milissegundos antes de atingir o campo de luz do laser, onde também foram fotografados usando microscopia de fluorescência de lâmina de luz.

Durante a quena, a nuvem se expandiu naturalmente, de modo que os pesquisadores puderam fazer medições em diferentes densidades.

Em altas densidades, Maiwöger e colegas descobriram que até 18% dos átomos estavam faltando nas imagens observacionais que estavam tirando. Eles acreditam que essas ausências foram causadas por colisões assistidas por luz, expulsando os átomos de rubídio de sua nuvem.

Isso demonstrou parte do que estava acontecendo – não era apenas a luz que estava influenciando os átomos, mas a luz espalhada pelos outros átomos também. Quando a luz tocou os átomos, deu-lhes uma polaridade.

Dependendo do tipo de luz usado, os átomos eram atraídos ou repelidos por uma maior intensidade de luz. Então, eles foram puxados para a região de luz mais baixa ou de luz mais alta – em cada caso, eles acabaram se acumulando juntos.

“Uma diferença essencial entre as forças usuais de radiação e a interação [desencadeada pela luz] é que a última é uma interação partícula-partícula eficaz, mediada pela luz espalhada”, escreveram Maiwöger e colegas em seu paper.

“Ela não prende átomos em uma posição fixa (por exemplo, o foco de um feixe de laser), mas os atrai para regiões de densidade máxima de partículas”.

Embora essa força que reúne os átomos seja muito mais fraca do que as forças moleculares com as quais estamos mais familiarizados, em grandes escalas ela pode se somar. Isso pode mudar os padrões de emissão e as linhas de ressonância – recursos que os astrônomos usam para informar nossa compreensão dos objetos celestes.

Também poderia ajudar a explicar como as moléculas se formam no espaço.

“Na vastidão do espaço, pequenas forças podem desempenhar um papel significativo”, disse Haslinger.

“Aqui, pudemos mostrar pela primeira vez que a radiação eletromagnética pode gerar uma força entre os átomos, o que pode ajudar a esclarecer cenários astrofísicos que ainda não foram explicados.”

Esta pesquisa foi publicada na Physical Review X.