Cientistas descobriram que um modelo simples usado para descrever a formação de um tipo exótico de partícula quântica, uma molécula Efimov, está errado – lançando por água abaixo dez anos de dados experimentais.

O resultado deste estudo veio como uma completa surpresa para os pesquisadores e traz implicações para a nossa compreensão fundamental de como as moléculas apareceram no universo primitivo.

“Tenho que admitir que estou surpreso”, disse Cheng Chin, líder de pesquisa da Universidade de Chicago. “Este foi um experimento em que não antecipei nenhum resultado antes de recebermos os dados”.

Desafios entre temperaturas

As moléculas Efimov são objetos quânticos que se formam quando três partículas se unem porque a versão binária do sistema é proibida. Esses tipos de moléculas se mantêm unidos por forças quânticas e não como ligações químicas, como se observa em moléculas cotidianas como o H2O.

Pelo fato de as forças quânticas serem tão insignificantes, as moléculas Efimov têm uma existência de risco. A temperatura ambiente normal fornece energia suficiente para quebrar os laços fracos e, portanto, as moléculas Efimov só podem existir a temperaturas muito próximas do zero absoluto.

Até agora, a teoria mais antiga propunha que o tamanho de uma molécula de Efimov estava relacionado ao tamanho das partículas de que era constituída – os físicos chamam essa propriedade de “universalidade”.

“Esta hipótese foi verificada várias vezes nos últimos dez anos, e quase todos os experimentos sugeriram que essa era realmente a situação”, disse Chin. “Mas alguns teóricos dizem que o mundo real é mais complicado do que esta fórmula simples. Deve haver outros fatores capazes de romper com essa universalidade “.

Pesquisas no campo magnético

A descoberta só foi possível por meio do aperfeiçoamento de uma técnica super sensível desenvolvida no laboratório de pesquisa de Chin durante vários anos.

Os experimentos sensíveis tiveram de ser conduzidos a temperaturas de 50 bilionésimos de grau acima do zero absoluto e em um campo magnético forte, usado para controlar a interação entre as partículas.

As moléculas Efimov só se formam quando a intensidade do campo magnético está em uma faixa particular e estreita. Ao analisar as condições precisas em que a formação ocorre, os cientistas conseguiram calcular o tamanho das moléculas e testar a teoria da universalidade.

A possibilidade de controlar as partículas de forma tão precisa foi um enorme desafio para o grupo. Mesmo o calor gerado por uma corrente elétrica, usado para criar o campo magnético, foi suficiente para mudar o campo, dificultando a reprodução de experimentos.

A técnica precisava ser ajustada para que o instrumento não afetasse a medição. Encontrar uma nova maneira de estabilizar o campo magnético foi a chave para concretizar medições reprodutíveis.

Em um golpe de gênio, um dos pesquisadores, Jacob Johansen, desenvolveu uma nova maneira de investigar o campo utilizando microondas eletrônicas e os próprios átomos, permitindo que o campo fosse controlado com uma precisão surpreendente.

“[Johansen] pôde controlar o campo com muita precisão e realizar medições efetivas sobre o tamanho dessas moléculas Efimov. Pela primeira vez, os dados realmente confirmam que existe um desvio significativo da universalidade”, disse Chin.

Resultados

Os achados deste estudo trazem grandes implicações.

Eles ajudarão os cientistas a entender por que os materiais normais possuem uma gama diversificada de propriedades que não poderiam surgir se seu comportamento quântico se mostrasse o mesmo. Entender o sistema Efimov de três corpos coloca os cientistas no ponto exato onde o comportamento material universal desaparece.

“Qualquer sistema quântico feito com três ou mais partículas é um problema muito, muito difícil”, disse Chin. “Apenas recentemente, temos a real capacidade de testar a teoria e entender a natureza de tais moléculas. Isso será um elemento fundamental para a compreensão de materiais mais complexos”, afirmou o cientista. [ScienceAlert]