Químicos desenvolvem método para permitir o tunelamento quântico

Por , em 7.11.2019

Algumas moléculas têm átomos organizados no formato de tigela ou guarda-chuva, em que os átomos não têm uma estrutura planar. Uma dessas moléculas é a de amônia, NH3, em que o nitrogênio fica no centro e os três átomos de hidrogênio ficam ao seu redor, em planos diferentes.

Essa estrutura de guarda-chuva é muito estável e normalmente exigiria uma energia muito grande para ser invertida do jeito que um guarda-chuva vira do avesso quando enfrenta uma ventania muito grande.

Mas um fenômeno mecânico quântico chamado tunelamento quântico permite que a amônia e outras moléculas habitem simultaneamente estruturas geométricas separadas por uma barreira de grande energia.

Pesquisadores examinaram este fenômeno ao usar um campo elétrico enorme para suprimir a ocupação simultânea das moléculas de amônia nos estados normais e invertidos. O estudo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences por pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT-EUA) e da Universidade Nacional de Seoul (Coréia do Sul).

Os experimentos foram feitos na Universidade Nacional de Seoul, e só foi possível por causa do novo método desenvolvido pelos pesquisadores. Eles aplicaram um campo elétrico muito grande, que chega a 200 milhões de volts por metro, em uma amostra imprensada entre dois eletrodos.

Todo este equipamento é minúsculo, com algumas centenas de nanômetros de finura. O campo elétrico gera forças quase tão fortes quanto as interações entre moléculas adjacentes.

“Podemos aplicar esses campos enormes, que são quase da mesma magnitude que os campos que duas moléculas experimentam quando se aproximam”, diz Field. “Isso significa que estamos usando meios externos para operar em igualdade de condições com o que as moléculas podem fazer por si mesmas”.

Isso permitiu que os pesquisadores explorassem o tunelamento quântico.

Como o tunelamento funciona

Em uma analogia simples, imagine que você está caminhando em um vale. Para chegar ao próximo vale, você precisa escalar um morro, o que é muito cansativo e exige muita energia. Agora imagine se você pudesse pegar um atalho em um túnel por baixo do morro para chegar ao próximo vale, quase sem nenhum esforço.

É exatamente isso que a mecânica quântica permite em algumas condições. Se os dois vales tiverem exatamente o mesmo formato, você poderia simultaneamente estar nos dois vales.

No caso da amônia, o primeiro vale é o estado de baixa energia que tem formato de guarda-chuva. Para que a molécula atinja o próximo vale, ou fique “do avesso”, ela precisaria passar por um estado de energia muito alta para depois voltar a ser baixa-energia.

Na mecânica quântica, a molécula isolada existe com igual probabilidade nos dois vales. Mas se a barreira entre os dois estados for muito alta, o tempo de tunelamento é extremamente longo.

Para algumas moléculas, a barreira para o tunelamento é tão grande que ele nunca aconteceria durante o período de existência do universo, explicam os autores.

É aí que o campo elétrico é útil: se houver um grande campo, o túnel entre as estruturas regular e invertida pode ser suprimido. Esta tecnologia permite que as dinâmicas moleculares sejam manipuladas externamente. [Phys.org]

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