Em um relatório publicado recentemente, a equipe do Laboratório Will da Universidade de Columbia relata sucesso na superação do limiar do condensado de Bose-Einstein (BEC) e na criação de um BEC de moléculas de NaCs a uma temperatura ultrabaixa de 5 nanoKelvin (= 5 x 10⁻⁹ Kelvin ). O condensado quântico molecular mostrou-se estável, com uma vida útil de cerca de 2 segundos. Isso encerra décadas de busca pelo BEC molecular. Trata-se de uma conquista notável e um marco na ciência.
É sabido que a matéria pode estar em um dos três estados físicos: sólido, líquido ou gasoso, dependendo de condições externas como temperatura e pressão. Por exemplo, a água (H₂O ) pode ser encontrada como gelo, água líquida ou vapor em condições externas normais.
Quando a temperatura está acima de 6000–10,000 Kelvin, a matéria é ionizada e se transforma em plasma, o quarto estado da matéria.
Qual seria o estado da matéria se a temperatura fosse ultrabaixa perto do zero absoluto?
Em 1924-25, Satyendra Nath Bose e Albert Einstein fizeram uma previsão teórica de que, se partículas bosônicas (ou seja, entidades com um valor de spin inteiro) fossem resfriadas a uma temperatura ultrabaixa próxima do zero absoluto, as partículas se coalesceriam em uma única entidade maior, com propriedades e comportamentos compartilhados, governados pelas leis da mecânica quântica. Chamado de condensado de Bose-Einstein (BEC), esse estado foi considerado o quinto estado da matéria.
| Estados da matéria | Faixa de temperatura de existência |
| Plasma | acima de 6000–10,000K |
| Gas | Para água, acima de 100°C à pressão atmosférica normal |
| Liquid | Para água, entre 4°C a 100°C |
| Sólido | Para água, abaixo de 0°C |
| Condensado de Bose-Eisenstein (BEC) | Perto do zero absoluto Cerca de 400 nanoKelkin para bósons atômicos Cerca de 5 nanokelvin para BCE molecular {1 nanoKelvin (nK) = 10 -9 Kelvin} Zero absoluto = 0 Kelvin = -273°C |
A previsão teórica do condensado de Bose-Einstein (BEC), o quinto estado da matéria, tornou-se realidade quase sete décadas depois, em 1995, quando Eric Cornell e Carl Wieman criaram o primeiro BEC em um gás de átomos de rubídio e, pouco depois, Wolfgang Ketterle produziu um BEC em um gás de átomos de sódio. O trio recebeu conjuntamente o Prêmio Nobel de Física de 2001 pela conquista da condensação de Bose-Einstein em gases diluídos de átomos alcalinos e pelos primeiros estudos fundamentais das propriedades dos condensados.
Cronologia dos avanços na ciência do quinto estado da matéria
| Milestones |
| 1924-25: A previsão teórica do quinto estado da matéria. Satyendra Nath Bose e Albert Einstein fizeram uma previsão teórica de que um grupo de partículas de bósons resfriadas a um nível próximo do zero absoluto se fundiria em uma superentidade única e maior, com propriedades e comportamentos compartilhados, ditados pelas leis da mecânica quântica. |
| 1995: A descoberta do quinto estado da matéria – criados os primeiros BECs atômicos. A previsão teórica de Bose e Einstein torna-se realidade após 70 anos, quando Eric Cornell e Carl Wieman criaram o primeiro BEC num gás de átomos de rubídio e, pouco depois, Wolfgang Ketterle produziu um BEC num gás de átomos de sódio. |
| BCE moleculares A busca por BCEs moleculares que requerem ultra-resfriamento em nanoKelvin (10-9 Kelvin) alcance |
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| 2023: Niccolò Bigagli et al usaram microondas para estender a vida útil de um gás bosônico de moléculas de sódio-césio de alguns milissegundos para mais de um segundo, um primeiro passo crítico para resfriá-los. Com a sua amostra mais duradoura, baixaram a temperatura para 36 nanoKelvin – pouco menos do que a temperatura necessária para as moléculas formarem um BEC. |
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Desde a descoberta em 1995, laboratórios em todo o mundo e na Estação Espacial Internacional (ISS) produzem rotineiramente BECs atômicos a partir de diferentes tipos de átomos.
Condensado molecular de Bose-Einstein (BEC)
Os átomos são entidades simples e redondas, sem interações polares. Conseqüentemente, os pesquisadores sempre pensaram em criar condensado de Bose-Einstein (BEC) a partir de moléculas. Mas, criar BECs mesmo de moléculas simples feitas de dois átomos de elementos diferentes não foi possível devido à falta de tecnologia para resfriar moléculas a poucos nanoKelvin (nK) necessários para a formação de BEC molecular.
Pesquisadores do Will Lab da Universidade de Columbia têm trabalhado consistentemente no desenvolvimento da tecnologia ultrafrio. Em 2008, eles conseguiram resfriar um gás de moléculas de potássio-rubídio a cerca de 350 nanoKelvin. Ajudou na realização de simulações quânticas e no estudo de colisões moleculares e química quântica, mas não conseguiu ultrapassar o limite do BEC. No ano passado, em 2023, usaram microondas para prolongar a vida útil de um gás bosónico de moléculas de sódio-césio e conseguiram atingir uma temperatura mais baixa de 36 nanoKelvin, que estava mais próxima do limiar BEC.
Em um relatório publicado recentemente, a equipe do Laboratório Will da Universidade de Columbia relata sucesso na superação do limiar do condensado de Bose-Einstein (BEC) e na criação de um BEC de moléculas de NaCs a uma temperatura ultrabaixa de 5 nanoKelvin (= 5 x 10⁻⁹ Kelvin ). O condensado quântico molecular mostrou-se estável, com uma vida útil de cerca de 2 segundos. Isso encerra décadas de busca pelo BEC molecular. Trata-se de uma conquista notável e um marco na ciência.
A criação de condensados moleculares de Bose-Einstein (BES) teria relevância a longo prazo para a investigação em física quântica fundamental, simulações quânticas, superfluidez e supercondutividade e inovação de novas tecnologias, como um novo tipo de computador quântico.
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Referências:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Observação da condensação de Bose-Einstein de moléculas dipolares. Natureza (2024). 03 de junho de 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Versão pré-impressa no arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Columbia University 2024. Notícias de pesquisa – O laboratório mais frio de Nova York tem uma nova oferta quântica. Postado em 03 de junho de 2024. Disponível em https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- A Real Academia Sueca de Ciências. Informações avançadas sobre o Prêmio Nobel de Física 2001 – Condensação de Bose-Einstein em Gases Alcalinos. Disponível em https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- NASA. O Quinto Estado da Matéria. Disponível em https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
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 of NaCs molecules at a ultracold temperature of 5 nanoKelvin (= 5 X 10-9 Kelvin). The molecular quantum condensate was stable with a lifespan of about 2 seconds. This ends several decades long pursuit of molecular BEC. This is a remarkable achievement and a milestone in science.){kind=link}