Cientistas provaram a existência de um exótico e novo estado da matéria: um átomo cheio de átomos!

Imagine um átomo com um elétron orbitando seu núcleo em um raio tão grande que acaba sendo capaz de acomodar outros átomos em seu interior - em outras palavras, imagine um átomo abraçando outros átomos! Sim, é exatamente isso o que um estudo publicado na Physical Review Letters esta semana descreveu, baseado no trabalho teórico de pesquisadores na Universidade de TU Wien (Viena, Áustria) e Universidade de Havard (Massachusetts, EUA), e no trabalho experimental realizado na Universidade de Rice, em Houston (EUA, Texas).

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Na nova investigação científica, os pesquisadores uniram dois campos especiais da Física Atômica que só podem ser estudados em extremas condições: Condensado de Bose-Einstein e Átomos de Rydberg. O Condensado de Bose-Einstein e um estado da matéria criado por átomos submetidos à temperaturas muito, mas muito baixas, próximas do zero absoluto (0 Kelvin, limite teórico inferior para a temperatura da matéria). Já os Átomos de Rydberg são átomos nos quais um único elétron é excitado para órbitas bem afastadas do núcleo (lembrando que o núcleo dos átomos é formado por prótons e - com exceção do isótopo de hidrogênio 1 - nêutrons; os prótons possuem carga positiva e atraem os elétrons, estes os quais possuem carga negativa).

A distância média entre um elétron e seu núcleo pode ser tão grande quando centenas de nanômetros, formando um espaço "vazio" entre o núcleo e o elétron mais do que mil vezes maior do que o raio do átomo de hidrogênio. Nesse sentido, os pesquisadores mostraram via cálculos e teorias físico-químicas bem estabelecidas que sob certas condições especiais esse "abraço atômico" poderia ser feito. Mas como provar na prática tal estado tão exótico?

Primeiro, os pesquisadores criaram um estado de Condensado-Bose-Einstein com átomos de estrôncio. Logo em seguida, um laser foi usado para transferir energia para um desses átomos ultra resfriados, transformando-o em um Átomo de Rydberg com um enorme raio atômico. Nesse sistema, então, os pesquisadores mostraram que os outros átomos do condensado foram aprisionados pela gigantesca órbita eletrônica do átomo excitado, cujo raio era muito maior do que a típica distância entre dois átomos dentro do condensado. No final, o elétron do Átomo de Rydberg - um dos dois localizado na última camada eletrônica - estava orbitando não só o seu núcleo original mas como também outros ao redor. Dependendo da densidade do Condensado-Bose-Einstein, seria possível que quase 200 átomos fossem aprisionados no novo estado exótico (Rydberg polarons).

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Os átomos aprisionados quase não possuem influencia no caminho de órbita do elétron no Átomo de Rydberg. Como os átomos no condensado não carregam cargas elétricas (neutros) ele acabam exercendo apenas uma força mínima no elétron, especialmente considerando as baixíssimas temperaturas (átomos com agitação muito pequena). De qualquer forma, o elétron, em minúscula escala, ainda sente a presença dos átomos neutros, sendo espalhado por esses últimos. Porém, esse espalhamento é irrisório, impossibilitando quaisquer fugas de órbita. Aliás, a teoria da Física Quântica permite que esse tipo de espalhamento ocorra sem transferir o elétron para um estado diferente.

Além disso, os pesquisadores mostraram através de simulações computacionais que a fraca interação no Rydberg polarons diminuiu a energia total do sistema, o que mostra que uma ligação entre o Átomo de Rydber e os outros átomos dentro da sua órbita eletrônica foi efetivamente criada. Essa ligação é muito mais fraca do que a ligação entre átomos em um cristal e, portanto, esse novo estado exótico só pode ser detectado em temperaturas muito baixas.

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Publicação do estudo: Physical Review Letters