No nível subatômico, as partículas podem atravessar barreiras aparentemente intransitáveis, como fantasmas.
Durante décadas, os físicos se perguntam quanto tempo leva o chamado tunelamento quântico. Agora, após uma investigação de três anos, uma equipe internacional de físicos teóricos tem uma resposta. Eles mediram um elétron de tunelamento a partir de um átomo de hidrogênio e descobriram que sua passagem era praticamente instantânea, de acordo com um novo estudo.
As partículas podem passar através de objetos sólidos não porque sejam muito pequenos (embora sejam), mas porque as regras da física são diferentes no nível quântico.
Imagine uma bola rolando por um vale em direção a uma ladeira tão alta quanto o Monte Everest; sem um impulso de um jetpack, a bola nunca teria energia suficiente para limpar a colina. Mas uma partícula subatômica não precisa atravessar a colina para chegar ao outro lado.
Partículas também são ondas, que se estendem infinitamente no espaço. De acordo com a chamada equação da onda, isso significa que uma partícula pode ser encontrada em qualquer posição da onda.
Agora imagine a onda atingindo uma barreira; continua, mas perde energia, e sua amplitude (a altura do pico) desce. Mas se o obstáculo é fino o suficiente, a amplitude da onda não decai para zero. Enquanto ainda houver energia na onda achatada, há alguma chance - ainda que pequena - de que uma partícula possa voar através da colina e sair do outro lado.
Realizar experimentos que capturaram essa atividade indescritível no nível quântico foi "muito desafiador", para dizer o mínimo, disse o co-autor do estudo Robert Sang, físico quântico experimental e professor da Universidade Griffith, na Austrália, por e-mail.
"Você precisa combinar sistemas a laser muito complicados, um microscópio de reação e um sistema de feixe atômico de hidrogênio para funcionar tudo ao mesmo tempo", disse Sang.
Sua organização estabeleceu três pontos de referência importantes: o início de sua interação com o átomo; o tempo em que um elétron liberado deveria emergir de trás de uma barreira; e o momento em que ele realmente apareceu, disse Sang em um vídeo.
Mantendo o tempo com a luz
Os pesquisadores usaram um dispositivo óptico de cronometragem chamado de pulsos de luz polarizados, ultracurtos, de attoclock, capazes de medir os movimentos dos elétrons até um segundo, ou um bilionésimo de bilionésimo de segundo. O dispositivo deles banhava átomos de hidrogênio na luz a uma taxa de 1000 pulsos por segundo, que ionizava os átomos para que seus elétrons pudessem escapar através da barreira, relataram os pesquisadores.
Um microscópio de reação do outro lado de uma barreira mediu o momento do elétron quando emergiu. O microscópio de reação detecta níveis de energia em uma partícula carregada depois que ela interage com o pulso de luz do bloqueio ", e daí podemos deduzir o tempo necessário para atravessar a barreira", disse Sang à Live Science.
"A precisão em que pudemos medir isso foi de 1,8 attosegundos", disse Sang. "Conseguimos concluir que o tunelamento deve ter menos de 1,8 attosegundos" - quase instantaneamente, acrescentou.
Embora o sistema de medição fosse complexo, o átomo usado nos experimentos dos pesquisadores era simples - o hidrogênio atômico, que contém apenas um elétron. Experimentos anteriores realizados por outros pesquisadores usaram átomos que continham dois ou mais elétrons, como hélio, argônio e criptônio, de acordo com o estudo.
Como os elétrons liberados podem interagir entre si, essas interações podem afetar o tempo de tunelamento das partículas. Isso poderia explicar por que as estimativas de estudos anteriores eram mais longas do que no novo estudo e em dezenas de attossegundos, explicou Sang. A simplicidade da estrutura atômica do hidrogênio permitiu que os pesquisadores calibrassem seus experimentos com uma precisão que estava fora de alcance em tentativas anteriores, criando uma referência importante contra a qual outras partículas de tunelamento agora podem ser medidas, relataram os pesquisadores.
Os resultados foram publicados on-line em 18 de março na revista Nature.
