Todo mundo já deve ter ouvido falar do problema em se observar qualquer coisa no mundo atômico: ver é captar fótons. Para captar fótons do que você quer ver, você tem que iluminar, ou seja, bombardear com fótons. Mas se você ilumina algo no mundo atômico ou subatômico, os fótons vão interagir com o que você quer ver, perturbando o que você queria ver. O que você vê é uma representação da interação dos fótons com o que você queria ver.
Confuso? O resultado prático é que não dá para ver alguma coisa que seja tão pequena quanto um elétron, por exemplo.
Mas isto não impediu cientistas de tentarem visualizar a estrutura orbital do elétron do hidrogênio, por exemplo, usando uma técnica indireta.
A ideia da física Aneta Stodolna, do Instituto para Física Atômica e Molecular FOM (AMOLF), na Holanda, é simples: disparar elétrons de átomos e guiá-los para uma placa, de forma que a figura desenhada na placa reflita a posição de onde partiu o elétron. Se você fizer isto com um número suficiente de elétrons, vai ter um desenho do orbital, o local em torno do átomo em que eles se encontram.
Para transformar a ideia em uma imagem foi preciso muito trabalho, usando um método chamado de microscopia de fotoionização. Para arrancar os elétrons, foi usado um pulso de raio laser – em essência, é o mesmo que arremessar fótons de energia sobre os elétrons, arrancando-os do seu orbital.
Um átomo é colocado dentro de um campo elétrico e excitado com pulsos de laser. O elétron ionizado pode escapar do átomo em trajetórias diretas ou indiretas em direção a um detector 2D. A diferença de fase entre as trajetórias cria um padrão de interferência que representa com fidelidade a forma do orbital do elétron. Este padrão foi ampliado mais de 20.000 vezes usando uma lente zoom eletrostática.
Estrutura orbital do hidrogênio: foto inovadora, processo inovador
O experimento serviu não apenas para criar uma imagem inédita do orbital do elétron do hidrogênio, mas também para demonstrar que a microscopia de fotoionização pode ser feita. Este processo, que serve como microscópio quântico, foi proposto mais de 30 anos atrás, mas até agora ninguém sabia se seria eficaz.
A imagem do orbital é também uma demonstração cabal de outra ideia da física quântica – no mundo nanoscópico, as partículas se comportam também como onda e, como tal, têm uma função de onda. O orbital é a solução para a equação de Schrödinger, e descreve onde uma partícula pode ser encontrada em um determinado momento. As imagens mostram o hidrogênio em quatro diferentes estados de excitação, com 0, 1, 2 ou 3 nós (locais no orbital onde os elétrons nunca estão).
Os próximos passos incluem ver como o átomo de hidrogênio se comporta dentro de um campo magnético, estudar a dinâmica do elétron, investigar a microscopia de interferência holográfica, e talvez observar moléculas usando a microscopia de fotoionização.[io9, Physics World, American Physical Society, Physics Review Letters (PDF), Phys.Org]