O Condensado de Bose-Einstein é um estado da matéria apenas observado para bosões em torno de 0 Kelvin, em que as partículas se agrupam e se comportam como uma só.

Se está a ler isto, é provável que, em algum momento da sua vida, tenha ouvido ou lido sobre algo chamado 'Condensado de Bose-Einstein' (também chamado BEC). Pode estar cheio de perguntas, mas não sabe por onde começar. Se assim for, então veio ao sítio certo para aprender tudo sobre o BEC, mas de uma forma acessível para principiantes!

Comecemos por referir dois factos óbvios sobre os condensados de Bose-Einstein. Em primeiro lugar, está classificado entre os diferentes estados da matéria, pelo que sabemos que é um estado da matéria. No entanto, não é tão comum como os outros, porque se fosse, teríamos aprendido sobre ele nas escolas primárias, juntamente com os sólidos, os líquidos e os gases.

Isto leva-nos ao segundo facto: este condensado não está disponível na natureza, tem de ser sintetizado em laboratórios que lhe proporcionem as condições adequadas para se manter, ou então temos de o procurar em condições delicadamente extremas, como o interior das estrelas de neutrões, para encontrar possíveis exemplos deste estado.

Deve estar a perguntar-se... como é que alguém pensou sequer na existência de um tal material, quando ele nunca tinha sido visto na natureza? Como é que se fabrica este Condensado de Bose-Einstein em laboratório, e o que é que o torna tão especial que tem a sua própria categoria de matéria? Bem, vamos mergulhar de cabeça e obter as respostas a todas estas perguntas, começando pela própria origem!

História do BEC

Há quase um século atrás, Satyendra Nath Bose enviou a Einstein o seu trabalho inédito sobre a estatística quântica dos quanta de luz. Basicamente, apresentou um estudo estatístico ou uma teoria das partículas de luz e da sua natureza quântica. Einstein ficou impressionado com o seu trabalho e submeteu-o à publicação em nome de Bose. Einstein aprofundou a ideia de Bose e daí surgiu o conceito de estatística de Bose-Einstein.

Basicamente, a Estatística de Bose-Einstein lida com partículas com spins inteiros (0, 1, 2, 3,...), a que chamamos Bosões. Como o nome sugere, a base da Estatística de Bose-Einstein é o estudo da distribuição estatística dos bosões e dos seus comportamentos resultantes. Sabemos agora que existe uma outra categoria de partículas de matéria chamada Férmions, que têm spins meio-inteiros (1/2, 3/2, 5/2,...).Os férmions obedecem à sua própria teoria de estatística quântica, chamada Estatística de Fermi-Dirac.

Foi através do seu trabalho que Einstein se apercebeu de uma consequência de uma propriedade dos bosões: o facto de bosões com os mesmos números quânticos poderem ocupar os mesmos estados quânticos, o que inclui propriedades como o momento, a energia, etc.

A consequência foi o conceito de BEC, mas qual é o significado da propriedade e porque é que é tão notável?

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O que é que o torna tão especial?

Pense num átomo. Imagine que existe uma vaga num nível de energia (o nível 2s, para simplificar) e que dois electrões podem ocupar essa vaga.

Lembre-se de que os electrões têm muitos números quânticos que definem os seus estados quânticos, tais como o número quântico principal, o número quântico angular, o número quântico magnético, etc. No entanto, para o nível 2s, os dois níveis de energia apenas diferem pelo número quântico de spin (spins +1/2 e -1/2).

Digamos que um eletrão com spin-up (+1/2) ocupou uma posição, como se mostra no diagrama. Agora, o espaço disponível para outro eletrão pode apenas ser ocupado por um eletrão de spin descendente (-1/2), de modo que a configuração global dos estados quânticos é diferente.

Esta propriedade de excluir qualquer partícula com os mesmos números quânticos de ocupar o mesmo nível de energia é chamada Princípio de Exclusão de Pauli.

Vejamos agora o eletrão, que tem um spin meio-inteiro (1/2), o que significa que segue a estatística de Fermi-Dirac. Mas esse não é o caso dos bosões! Bosões com os mesmos números quânticos pode Existem juntos no mesmo nível de energia, o que significa que não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli. Então o que acontece quando os bosões se juntam e ocupam o mesmo nível de energia ao mesmo tempo... e como é que isso acontece?

Einstein imaginou que, se um sistema de bosões fosse suficientemente arrefecido para que os seus movimentos aleatórios fossem eliminados, poderiam juntar-se todos para ocupar o estado quântico mais baixo, altura em que a natureza quântica das partículas seria ampliada.

Quando as partículas partilham o mesmo nível de energia, todas elas têm a mesma energia. Nesse momento, ainda podemos distinguir as partículas devido aos seus números quânticos, como os spins, como vimos anteriormente. No entanto, neste sistema de bosões, onde podem ocupar os mesmos estados quânticos, incluindo os mesmos níveis de energia, não há nada que diferencie cada partícula.as partículas são indistinguíveis!

Em suma, perdem as suas identidades individuais e comportam-se como um só corpo, como um superátomo!

Este processo de formação deste superátomo é o que Einstein chamou de condensação de Bose-Einstein, e o superátomo em si foi chamado de Condensado de Bose-Einstein. Tem propriedades muito únicas, como a superfluidez e, em muitos casos, também a supercondutividade! No entanto, é o comportamento deste grande grupo de partículas que se fundem e agem como uma partícula enorme (ampliando a sua natureza quântica) quetorna-o tão interessante de estudar.

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Criação do BEC

A resposta é... onde quer que consigamos manter uma temperatura de aproximadamente 0 K. A má notícia é que nunca atingimos o zero absoluto num laboratório. Além disso, manter uma temperatura mesmo próxima do zero absoluto é uma tarefa bastante difícil!

Mas e no espaço? Afinal de contas, todos sabemos que o espaço é realmente Infelizmente, a realidade é que não descobrimos nenhum local no universo visível a 0 K. Mesmo a temperatura média de fundo do espaço é de cerca de 2,725 K.

O próprio Einstein era cético em relação à produção de BEC. Como é que alguém seria capaz de atingir as condições necessárias para que isso acontecesse? Chamou-lhe paradoxo e ficou por aí.

Quase 70 anos depois, esse paradoxo tornou-se finalmente possível!

O primeiro BEC foi fabricado pela equipa de Eric Cornell e Carl Wieman no JILA, composto por átomos de Rubídio. Isto só foi possível porque conseguiram atingir temperaturas na gama dos nano-Kelvin, o que era necessário para que a condensação de Bose-Einstein se instalasse. Maravilhosamente, conseguiram descer até 20nK! Mesmo antes de atingirem essa temperatura, começaram a observar o processo de condensaçãoApenas alguns meses mais tarde, Wolfgang Ketterle e a sua equipa conseguiram observar o fenómeno em átomos de sódio. Este feito monumental levou Cornell, Wieman e Ketterle a partilharem o Prémio Nobel da Física em 2001.

O processo de formação destas partículas não é tão simples como arrefecê-las a temperaturas incrivelmente baixas (o que também é muito difícil!). O processo completo envolve ímanes e lasers para prender as partículas e arrefecê-las. Estas partículas também precisam de ter uma densidade baixa, de modo a não se condensarem imediatamente em sólidos ou líquidos.

E mesmo quando todas estas variáveis meticulosas são alcançadas, o BEC forma-se apenas durante um curto período de tempo!

Conclusão

Agora que compreendemos a origem, os princípios básicos e as propriedades importantes do BEC e da sua formação, podemos concluir respondendo à pergunta óbvia: Para que é que ele é útil?

Até agora, tem-nos ajudado a compreender os fenómenos quânticos de muitos corpos, bem como no estudo de fenómenos exóticos, como a emissão de radiação Hawking! Por outras palavras, o estudo do Condensado de Bose-Einstein não se limita apenas ao mundo quântico, mas estende-se ao cosmos e mais além!