Tunelamento Quântico Observado Diretamente pela Primeira Vez

Tunelamento e teletransporte

Físicos acreditam ter tido o primeiro vislumbre do que acontece nos bastidores de um dos fenômenos mais intrigantes do mundo quântico: o tunelamento.

Embora a ideia de se teletransportar através de paredes possa parecer coisa de ficção científica, fenômenos desse tipo realmente acontecem o tempo todo no mundo atômico. O teletransporte quântico propriamente dito é algo só realizado nos anos recentes, mas o tunelamento quântico – que pode ser visto como uma espécie de teletransporte – é bem conhecido e largamente explorado na prática – transistores de tunelamento estão no seu computador, no seu celular e na sua TV, por exemplo.

O tunelamento envolve elétrons atravessando paredes sólidas que eles aparentemente não conseguiriam romper com sua energia. Se você atirar uma bala de canhão, ela romperá facilmente uma parede, mas se atirar uma bola de tênis com a mão a bola simplesmente rebaterá na parede. Mas os elétrons são como bolas de tênis que atravessam paredes. É como se eles estivessem cavando um túnel através da barreira, daí o nome do fenômeno: tunelamento quântico.

Contudo, embora saibamos com bom nível de profundidade o que acontece antes e depois de um elétron tunelar, ou atravessar uma barreira, o comportamento exato do elétron enquanto ele atravessa a barreira permanece obscuro. Conhecemos a entrada e a saída do túnel, mas o que acontece lá dentro é um mistério.

Tsendsuren Khurelbaatar e colegas da Alemanha e da Coreia do Sul conseguiram agora observar pela primeira vez o que acontece com o elétron lá dentro da barreira – ou do seu virtual túnel.

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Recolisão sob a barreira

A equipe bolou um experimento no qual pulsos intensos de laser são usados para induzir o tunelamento de elétrons através de barreiras de energia.

Os resultados revelaram um fenômeno surpreendente: Os elétrons não atravessam simplesmente a barreira, eles passam, mas então colidem novamente com um núcleo atômico dentro do seu túnel. É como se o elétron fosse refletido pelo final do túnel. A equipe chamou esse processo de “recolisão sob a barreira”.

Durante o processo de tunelamento os elétrons são refletidos, ganham energia conforme voltam pela barreira, e então colidem novamente com o átomo. Esse rebote fortalece o que é conhecido como ressonância de Freeman, que ocorre quando um átomo exposto a um laser de alta intensidade entra em um estado de ressonância temporária porque a energia do laser “veste” os estados de energia do átomo, alterando suas propriedades – os físicos dizem que um átomo isolado está em um estado “nu”; mas ele pode ser “vestido” com os fótons do campo de laser, mudando seu estado de energia.

Essa ressonância causa a ionização do átomo, que foi significativamente maior do que a observada em processos de ionização conhecidos anteriormente, além de quase não ser afetada por alterações na intensidade do laser. Esta é uma descoberta completamente nova, não prevista pelas teorias existentes.

Até agora, acreditava-se que os elétrons só poderiam interagir com um átomo após saírem do túnel, mas o experimento confirmou pela primeira vez que a interação pode ocorrer dentro do túnel.

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Compreensão e uso prático

Esta demonstração é significativa, sendo a primeira no mundo a elucidar a dinâmica dos elétrons durante o tunelamento.

A equipe afirma que seu feito fornece uma base científica para um controle mais preciso do comportamento dos elétrons, o que poderá levar à maior eficiência em tecnologias avançadas, como transistores, computadores quânticos e lasers ultrarrápidos, que dependem do tunelamento quântico.

“Por meio deste estudo, conseguimos encontrar pistas sobre como os elétrons se comportam quando passam pela parede atômica. Agora, finalmente podemos entender o tunelamento mais profundamente e controlá-lo como desejamos,” disse o professor Kim Eon.