Moléculas são criadas por tunelamento quântico pela primeira vez

Pela primeira vez, cientistas conseguiram formar moléculas sem aplicar energia, apenas contando com as propriedades estranhas da mecânica quântica. Para isso, eles simplesmente deixaram que íons se ligassem entre si por meio de tunelamento quântico.

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A formação de moléculas é algum comum e até mesmo inevitável na natureza, mas exige um custo energético. Normalmente, essa energia envolve calor ou pressão como meio de provocar a reação química para se obter a molécula.

Contudo, os cientistas usaram um dos conceitos confusos da mecânica quântica: a sobreposição e estados quânticos, explicada pela metáfora do gato ao mesmo tempo vivo e morto, em uma caixa — o tal do "gato de Schrödinger".

Essa metáfora mostra o comportamento da função de onda de partículas subatômicas, como os elétrons. Eles não podem ser localizados exatamente em um lugar girando ao redor do núcleo, como se fossem planetas orbitando o Sol, mas formam uma sobreposição de estados, ocupando todas as posição possíveis simultaneamente.

Tunelamento quântico

Elétrons são às vezes tratados como pontos com níveis de energia específica, exigindo energia para ultrapassar alguma barreira (um material isolante para elétrons, por exemplo). No caso da formação de moléculas, as partículas precisam gastar alguma energia para vencer essas barreiras — às vezes destruindo-as.

Felizmente, as propriedades quânticas estão conosco para salvar o dia. Como o elétron nuvem probabilística, podemos simplesmente aproximá-lo de uma “armadilha”. Um exemplo são os SSDs em nossos computadores.

Para guardar informação no SSD, os elétrons precisam ficar “presos” em uma armadilha. Ao receber uma tensão com carga positiva, a nuvem de probabilidade de posição do elétron é atraída para a armadilha e simplesmente atravessa a barreira isolante. Esse é o chamado “tunelamento quântico” e graças a ele seus dados são guardados na memória.

O tunelamento quântico também pode acontecer em outras situações, mas dessa vez os cientistas queriam aproveitar esse fenômeno para tentar criar moléculas. Para isso, os autores da pesquisa resfriaram os íons negativos de deutério (um isótopo de hidrogênio) até deixá-los quase parados — ou seja, sem oscilar.

Em seguida, eles introduziram um gás de moléculas de hidrogênio e deixaram as coisas seguirem o curso natural. Sem calor, ou seja, sem movimento, o íon deutério não teve a energia necessária para forçar as moléculas de hidrogênio a um rearranjo de átomos, mas outra coisa mais interessante aconteceu.

Com as partículas forçadas a permanecer paradas próximas umas das outras, elas tiveram mais tempo para se unirem através do tunelamento quântico. Esse resultado é incrível porque, sem calor e movimento, esses íons não tinham energia para se unirem, mas as moléculas se formaram mesmo assim.

Durante cerca de 15 minutos, a armadilha de íons de deutério produziu reações químicas em uma taxa bem pequena, mas significativa: cerca de um evento de tunelamento para cem bilhões de colisões. O resultado pode ser uma referência que pode ser usada por outros pesquisadores da área.

Por fim, observar e compreender como o tunelamento pode ajudar na construção e rearranjos de moléculas pode fornecer aos cientistas novas descobertas sobre outras tecnologias que usam esse princípio quântico. Um exemplo são os cálculos de liberação de energia em reatores de fusão nuclear em desenvolvimento nos reatores experimentais.

Os resultados foram publicados na revista Nature.

Fonte: Nature, EurekAlert