Phonon & a Sinfonia do Mundo Subatômico

Da música de um violão ao latido do seu cachorro, todos os sons se propagam no espaço que nos rodeia através de uma onda mecânica. A onda comprime e descomprime o ar, ou o meio material em que se move, e é por isso que a ouvimos.

Isto é semelhante ao que fazem as vibrações dos átomos em um sólido cristalino, que são aqueles sólidos cujos átomos estão periodicamente dispostos em três dimensões, como uma folha de cobre, um pedaço de gelo ou um diamante.

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No submundo dos átomos, o som das partículas quânticas respeita um tipo de lei diferente ao de uma corda de violão ou do latido do seu cachorro. A energia transportada por essas ondas, resultado do movimento dos átomos, deve obedecer às leis da mecânica quântica e transmitir a energia por meio de pacotes ou quantum de energia.

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O nano mundo dos fônons

Qualquer material, visto ao microscópio, é composto de átomos que se conectam para adquirir uma determinada forma, desde uma parede até o corpo humano, desde as unhas até as células do coração. As moléculas são combinações estáveis e eletricamente neutras de átomos.

Em um sólido cristalino, os átomos estão dispostos de maneira ordenada em uma estrutura uniforme e repetitiva. Podemos imaginar uma rede em cujos nós os átomos estão ancorados, com uma particularidade: eles nunca ficam parados, vibram em torno da sua posição de equilíbrio. “Nesse momento começa a sinfonia”, afirma a Doutora em Métodos Quantitativos do CUNE, Gloria Anemone, professora contratada do CUNEF.

Pode-se considerar que as ligações entre esses átomos se comportam essencialmente como molas, de tal forma que ao se movimentar, uma onda se propaga por todo o cristal. Mas é claro que se olhássemos para esta onda com olhos da mecânica quântica, também a veríamos como uma partícula devido ao princípio da dualidade onda-corpúsculo.

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Aparece então o fônon, que se move através do cristal interagindo com outras partículas, como os elétrons. Esta interação, por exemplo, sob certas condições, dá origem a fenômenos fascinantes como a supercondutividade.

A palavra phonon vem do grego phonos, que significa som ou voz. Um fônon é um objeto quântico que emerge das vibrações coletivas de bilhões de átomos em uma rede cristalina. É classificada como quase-partícula ou excitação coletiva.

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Ao contrário de uma partícula, como um elétron ou um átomo, que pode existir isolada e independentemente, uma quase-partícula não tem existência própria fora do sistema em que aparece. Podemos ter elétrons livres, mas os fônons só existem como manifestação do comportamento coletivo da matéria. Devido à sua natureza coletiva, necessitam de um meio excitado para existir; assim como necessita o som.

Quando falta a estrutura cristalina e entramos no mundo dos materiais amorfos, o caminho livre médio dos fônons torna-se muito pequeno, o que dificulta a propagação das ondas. Nestes materiais amorfos não há harmonia. É como uma orquestra em que cada músico toca uma peça diferente.

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Fônons e condutividade térmica

Uma das funções mais importantes dos fônons é a influência que eles exercem na condutividade térmica dos materiais, especialmente dos não-metais, uma vez que nos metais os elétrons têm maior influência na condutividade térmica.

Quando um material é aquecido, a energia térmica é absorvida pelos átomos, que passam a vibrar com mais vigor. Essas vibrações se propagam pelo material na forma de fônons, transferindo energia térmica de uma parte do material para outra.

Em geral, a condutividade térmica aumenta se os fônons puderem viajar através do material sem muitos obstáculos (defeitos, impurezas e arestas no material). E se não houver muitos fônons, é claro.

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Também pode acontecer que os fônons possam colidir entre si e diminuir a condutividade térmica. Isso significa que nenhum aumento na temperatura aumentará a condutividade; só poderá atingir um máximo que vai depender do material, de sua estrutura, sua pureza e das dimensões.

O conhecimento da condutividade térmica é essencial para escolher o material adequado, dependendo se queremos materiais isolantes térmicos, como madeira ou polímeros, ou bons condutores, como o diamante.

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Fônons para um futuro melhor

Explorar o mundo destas quase-partículas nos permite desvendar os mistérios que regem a propagação do som e a condutividade térmica dos materiais, e como os fônons afetam as propriedades eletrônicas dos materiais.

Esta etapa é fundamental para o desenvolvimento de novas tecnologias, desde a nanotecnologia até a eletrônica de ponta. E já agora, nos permitiu descobrir que nas profundezas da matéria também existe música.

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Fonte: The Conversation. “Fonón: el sonido del mundo cuántico“. 2024.