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Elétron deixa de ser uma partícula elementar



Elétrons orbitando o núcleo de um átomo
Os átomos são compostos por um núcleo, onde há prótons e nêutrons, e por elétrons, que correspondem a partículas de carga negativa que orbitam o núcleo do átomo.

Os nêutrons e prótons, que constituem o núcleo dos átomos, são partículas não elementares. Isso significa que elas são compostas por outras partículas menores, chamadas de quarks. Já os elétrons sempre foram considerados partículas elementares, isto é, partículas sem estrutura interna que não podem ser divididas... Mas isso mudou.


Próton e nêutron são compostos por quarks
Recentemente pesquisadores na Suíça liderados por Schlappa apresentaram um resultado muito interessante: conseguiram dividir o elétron em duas partículas menores, o spinon e o orbitron. Com isso, eles conseguiram separar as propriedades de spin e de órbita de um elétron. O resultado encontra-se na edição de maio de 2013 da revista Nature.




A separação do elétron
Até o momento, a física padrão sempre aceitou que um elétron fosse uma partícula fundamental. No entanto, já em 1980 havia previsões de teóricos que sugeriram que elétrons podiam ser compostos por três pedaços menores: um “spinon” (que fornece seu spin), um “orbitron” (que fornece sua órbita) e um “holon” (que carrega sua carga).


Picos de absorção de energia: um dos picos corresponde à parte de spin (spinon) e outro à parte orbital (orbitron)
Essa separação não pode ser feita para elétrons isolados, mas apenas quando eles estão em uma cadeia linear (uma linha de elétrons, por exemplo) essa separação é possível. Por essa razão, o spinos, orbitron e holon são chamados de quasi-partículas, e não de partículas.



Em 1996, um trabalho publidado na revista científica Physics Review Letter mostrava uma aparente separação de um elétron em um holon e um spinon. Neste ano, pesquisadores suíços e alemães, liderados por Thorsten Schmitt, usando feixes de raio X, estudaram um composto chamado de cuprato de estrônio. 
Esse composto foi escolhido pois suas partículas presentes só podem se mover em uma dimensão - com isso, se reproduz a situação de uma linha de elétrons. Os físicos observaram um elétron se dividir em duas das três partes previstas: o spinon e o orbitron. O que solidificou as observações e tornou este trabalho particularmente importante foi o fato de eles encontrarem propriedades diferentes para as duas quasi-partículas. Essas partículas podiam se mover com velocidades diferentes e até em direções diferentes do material. A imagem ao lado ilustra o tipo de resultado obtido pelos cientistas.


Ilustração: computação quântica
Elétrons atômicos possuem essa habilidade pois se comportam como ondas quando estão confinados em um material. Quando os elétrons são excitados, essa onda se separa em múltiplas ondas, cada uma carregando diferentes características do elétron; mas elas não podem existir de maneira independente fora do material.

O próximo passo será produzir o holon, o spinon e o órbiton ao mesmo tempo.
Além de ser um resultado interessante do ponto de vista acadêmico, a pesquisa pode ter implicações mais práticas. Os órbitons, por exemplo, poderiam auxiliar a construção de um computador quântico (um computador que usaria as propriedades quânticas das partículas para efetuar cálculos de modo mais rápido).
Um problema enfrentado pela computação quântica é que os efeitos quânticos geralmente são destruídos antes que os cálculos possam ser efetuados. A vantagem trazida é que as transições orbitais são extremamente rápidas, de modo que cálculos que façam uso dessas transições podem ser efetuados rapidamente, antes que os efeitos quânticos desapareçam. Isso aumenta as chances de se construir um computador quântico realista.

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