Introdução
 

A Condensação de Bose-Einstein é um fenômeno no qual os bósons que formam uma substância (um gás de bósons) convergem para o menor estado de energia, em um estado quântico comum.

Os bósons - nome dado à partir de Bose - são quaisquer partículas que possuem spin (I) diferente de 1/2 (esses são os fermions, como o elétron, por exemplo). O núcleo de um átomo possui spin, que é a combinação dos spins de seus prótons e neutrons. Assim, muitos átomos são bosons: exemplos inportantes para o presente ensaio são o 4He (I=0), 7Li (I=3/2), 85Rb (I=5/2) e 23Na (I=3/5).

Uma característica fundamental dos bósons: como eles tem um spin diferente de 1/2, eles não estão sujeitos ao Princípio da Exclusão de Pauli, e portanto, pelos princípios da quântica, podem sim ocuparem o mesmo lugar do espaço uns com os outros. Esse efeito pertinente aos bósons já vem sendo conhecido a muito tempo, em estudos envolvendo hélio líquido (em torno de -270^º C)
 
 
 

A característica crucial dos condensados Bose-Einstein é que as muitas partes que compõe o sistema ordenado não só se comportam como um todo, mas se tornam o todo. Suas identidades se fundem, ou se entrelaçam de tal forma a perder completamente a sua individualidade. Uma boa analogia seriam as muitas vozes de um coro, que se fundem para se tornar "uma voz" a certos níveis da harmonia, ou o cindir de muitas cordas de muitos violinos para se tornarem "o som de violinos... (Danah Zohar).
 
 
 
 

Recentemente, físicos de Boulder, Colorado, EUA, atingiram pela primeira vez uma temperatura muito menor do que havia sido produzida antes, e assim conseguiram criar um novo estado da matéria, algo que havia sido predito pelo cientista indiano Satyendra Nath Bose e cujas idéias haviam sido alicerçadas por Albert Einstein.

Após pelo menos 15 anos de pesquisas internacionais nessa área, a 5 de junho de 1995 Eric Cornell e Carl Wieman resfriaram átomos de rubídio abaixo de 170 bilionésimos de grau acima do zero absoluto, o que causou os átomos a condensarem em um "super átomo": todos os átomos de rubídio no condensado começaram a comportar-se como se fossem uma única entidade. O resultado dessa experiência foi publicado na edição de julho de 1995 da revista Science.

Para fotografar o "super átomo", os cientistas tiveram de resfriar os átomos ainda mais: a 20 bilionésimos de grau acima do zero absoluto: na época, a temperatura mais baixa que já havia sido atingida.

Em sua euforia pela confirmação da experiência, Wieman e Cornell afirmaram na época que "esse estado não poderia ser encontrado naturalmente em nenhum lugar do universo", "de formas a que a amostra em nosso laboratório é o único pedaço dessa coisa no universo, a menos que exista outra em outro laboratório em outro sistema solar", e "é realmente um novo estado da matéria, ele tem propriedades completamente diferentes de quaisquer outros tipos de matéria".
 

A experiência

O time de pesquisadores, que também incluiu alunos de graduaçãoe de pós-graduação, utilizou armadilhas a laser e armadilhas magnéticas para formar uma bolinha de átomos de rubídio tão estacionários quanto o permitido pelas leis da Mecânica Quântica. Essa bolinha ficava envolvida por uma "nuvem" de átomos normais de rubídio. Visível através de uma câmara de vídeo, a "bolinha" tinha 20 microns de diâmetro (algo como cerca de um quinto da espessura de uma folha de papel).

O condensado foi formado dentro de uma cela de vidro tendo em volta um conjunto de magnetos, lasers e computadores. Dentro da armadilha estavam cerca de dois mil átomos de rubídio, espremidos num espaço muito pequeno, e numa temperatura muito baixa.

Os átomos no condensado obedecem as leis da mecânica Quântica, e são diferentes daqueles átomos que os rodeiam. Os cientistas fazem uma analogia à cristais de gelo formando-se em água gelada. "Se não fosse pela mecânica quântica, esses átomos não deveriam ter energia nenhuma. Eles estão tão perto do zero absoluto quanto as leis da ciência permitem", disse Wieman.

O zero absoluto, ou 273,15 graus abaixo de zero Celcius, é o ponto hipotético no qual uma substância não teria movimento nem calor. Entretanto, essa temperatura nunca poderá ser atingida, de acordo com as leis da Termodinâmica.

A temperatura atingida pelos cientistas é realmente muito baixa: até as regiões mais remotas do universo são bilhões de vezes mais quentes, devido à radiação de fundo deixada pelo Big Bang.

Átomos de gás a temperatura ambiente movem-se a cerca de 1000 milhas por hora, e são desacelerados à medida em que a temperatura cai. Os átomos normais, na temperatura atingida, movem-se a cerca de um metro por hora; os dentro do condensado movem-se tão devagar que a sua velocidade não pode ser medida na época da experiência.

No condensado, os átomos existem em uma estranha condição. Como se numa sopa, cujas propriedades ainda são desconhecidas. A condensação da matéria é a contrapartida do laser. Esse causa um grande número de fótons ter a mesma energia e a mesma direção. O condensado coloca um grande número de átomos no mesmo estado mecânico quântico. Assim, dizem, "o condensado está para a matéria normal assim como o laser está para a luz de uma lâmpada comum".

O condensado de Bose-Einstein é um fenômeno esquisito, que tem um papel significativo na matéria condensada, e na física atômica, nuclear, e das partículas elementares e em astrofísica. O estudo do condensado em sistemas fracamente interativos promete revelar novos efeitos mecanico-quânticos macroscópicos, e pode avançar a compreenção da supercondutividade e da superfluidez em sistemas mais complexos.
 
 

Experimental

Começando com um gás à temperatura ambiente, os pesquisadores desaceleraram os átomos e os capturaram em uma armadilha criada pela luz produzida por lasers de diodo, similares àqueles empregados em CD players. Os lasers infravermelhos eram alinhados de tal formas a que os átomos eram bombardeados por um fluxo constante de fótons vindos de todas as direções: pela frente, por trás, esquerda, direita, por cima e por baixo. O truque: o comprimento de onda dos fótons era escolhido de tal forma que só iriam interagir com átomos se movendo na direção dos fótons. "É como correr debaixo de uma chuva de granizo: para aonde você vai, o granizo sempre bate na sua face; portanto, você para", compararam os cientistas. Isso faz com que os átomos se desacelerem, o equivalente a resfriar, até temperaturas da ordem de 10 bilionésimos de grau acima do zero absoluto - ainda muito quente para produzir a condensação Bose-Einstein. Cerca de 10 milhões de átomos foram capturados nessa armadilha de luz.

Uma vez que os átomos estão presos, os lasers são desligados, e os átomos são mantido no lugar por campos magnéticos. Cada átomo carrega o seu próprio ímã, devido ao spin dos seus elétrons, e assim, eles podem ser capturados, ou mantidos em armadilhas se um campo magnético apropriado é construido em volta deles.

Os átomos são resfriados ainda mais permitindo-se que os mais quentes pulem fora da armadilha; isso funciona como o processo de resfriamento de um copo de café quente: as moléculas dágua mais quentes ''pulam" fora na forma de vapor. O que o time de pesquisadores de Boulder conseguiram foi ter ido além da armadilha magnética convencional. Eles inventaram a armadilha de potencial tempo-mediada orbital, ou "time-averaged orbiting potential trap". O palavrão funciona assim: devido ao fato de que os átomos mais frios tem a tendência de escapar do centro da armadilha convencional, como bolinhas de gude caindo por um funil, os cientistas inventaram a técnica de "mover" o funil mais rápido do que os átomos podiam responder. Assim, conseguiram juntar cerca de dois mil átomos no condensado.
 
 

A repercução imediata

Wieman afirmou que o equipamento utilizado na experiência não era nem exótico, e nem caro, e que portanto, acreditava que a sua experiência poderia ser duplicada em qualquer outro laboratório, dando aos físicos uma nova forma de estudar efeitos quânticos em larga escala. "Pela primeira vez, nós temos um objeto macroscópico que se comporta de uma forma puramente quântica. Isso vai abrir uma nova forma de se estudar o comportamento fundamental da matéria", disse.

De fato, no mesmo verão de 1995, times da Universidade de Rice conseguiram um condensado de cerca de 100.000 átomos de lítio, e um time do MIT outro, de cerca de 500.000 átomos de sódio. A técnica, porém, era a mesma. O que o time do MIT desenvolveu foi uma melhoria da armadilha magnética com o uso de um laser fortemente focalizado, de formas a produzir uma "rolha" de luz que impedia os átomos de pularem fora da armadilha magnética montada.
 
 

Os cientistas agora acreditam que eles possam estudar efeitos quânticos em uma quantidade de matéria numa escala de vários centésimos de milímetro (átomos são 10.000 vezes menores do que isso).
 

mais informações: http://physics.colorado.edu/pr.html

http://www.reed.edu/~rsave/condensate.html

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Comentário de um leitor atento:
Prezado Stanlei,

Cheguei aa sua pagina (http://inorgan221.iq.unesp.br/quimgeral/boseeinstein/condensado_bose_einstein.html)
indicado por uma amiga. Ela adorou o que leu e me recomendou. Eu li e tambem
gostei muito. Parabens, e' um bom trabalho.

Aproveito este e-mail para sugerir algumas melhorias:

- Laser nao se escreve com Z
- Celsius nao se escreve com c
- Spins sao coisas dificilimas de se explicar, mas um link para alguma explicacao
certamente ajudaria.
- Diz-se que bosons tem spin inteiro, em contraste com fermions que tem spin
semi-inteiro (uma particula de spin 1 1/2 e' um fermion, e e' diferente de 1/2!)

- Movimento e calor sao duas formas de se descrever energia na materia. A frase
"nao se ve movimento nem calor" poderia ser reescrita como "nao se ve calor,
e portanto, nao se ve movimento". Me desculpe se isto parece um preciosismo
besta, mas os conceitos sao a base do conhecimento. Conceitos confusos levam
a entendimentos confusos.
- O paragrafo que comeca com "No condensado, os átomos existem em uma estranha
condição." ficou estranho. Eu sei que voce se refere ao freio que um laser causa
em atomos em movimento. Mas um leigo - e seu texto esta' bom o bastante para
um leigo ler e entender, dai meu interesse que voce melhore - ficaria muito
confuso. Uma figura tambem ajudaria muito.
- Explicar o que e' litio 7 seria legal.
- Uma revisao na gramatica do texto tambem seria interessante. Eu sinto que
voce deve ter escrito tudo em pouco tempo, e talvez nunca tenha revisado nada
(eu cometo frequentemente muitos dos errinhos que estao por la')

Vou recomendar sua pagina a todos que me perguntarem sobre o condensado de B-E,
pois ela esta' muito boa. Parabens, novamente.

Atenciosamente,

Outro adendo, desta vez retirado de "Os Físicos Criam um Novo Estado da Matéria, em
http://www.uol.com.br/cienciahoje/chdia/nob01-b.htm

                  O Prêmio Nobel de Física de 2001, anunciado em 9 de
                  outubro pela Real Academia Sueca de Ciências, vai ser
                  dividido por três cientistas: os americanos Eric Cornell e
                  Carl Wieman e o alemão Wolfgang Ketterle. Eles tiveram
                  papel fundamental na obtenção experimental de
                  condensados de Bose-Einstein em gases de átomos
                  alcalinos, resfriados a temperaturas muito próximas ao zero
                  absoluto (-273o C). Os condensados de Bose-Einstein são
                  considerados um novo estado da matéria, em que todos os
                  átomos envolvidos têm o mesmo estado quântico.

                     Em 1924, o físico indiano S. N. Bose desenvolveu uma
                  estatística que analisava o comportamento de partículas em
                  um determinado estado quântico, com spin inteiro (em sua
                  homenagem, essas partículas foram denominadas bósons).
                  Ele enviou seus resultados para Albert Einstein, que se
                  empolgou com as novidades e, em seguida, publicou dois
                  artigos que complementavam as descobertas de Bose. Nos
                  artigos, Einstein previa que, se um dado número de bósons
                  fosse resfriado a temperaturas e velocidades
                  suficientemente baixas, os átomos se converteriam em um
                  condensado no qual ocupariam essencialmente o mesmo
                  estado quântico, no nível mais baixo de energia.
 

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