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Nanotecnologia
Cientistas criam um "buraco negro" atômico
Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/04/2010
Átomos super frios são capturados por um nanotubo de carbono suspenso e
carregado com centenas de volts. Cada átomo capturado espirala ao longo do
nanotubo (rota branca) onde seu elétron de valência tunela no nanotubo. O
íon resultante (violeta) é ejetado, sendo então detectado pelos
instrumentos dos cientistas.[Imagem: Anne Goodsell/Tommi Hakala]
Menor acelerador de partículas do mundo
Pense nesse experimento como o menor acelerador de partículas do mundo:
átomos espiralam ao longo de um nanotubo de carbono eletricamente
carregado, sofrendo uma aceleração dramática, até desintegrarem-se
violentamente.
Os físicos da Universidade de Harvard que descobriram o fenômeno afirmam
que, além de serem promissores para a área da eletrônica e, eventualmente
até mesmo para a construção de um elevador espacial, os nanotubos de
carbono podem também ser a base para a geração de buracos negros
microscópios.
Eles descobriram que um nanotubo de carbono, eletricamente carregado, pode
fazer átomos super frios entrarem em um movimento espiral ao seu redor,
acelerando velozmente até se desintegrarem, sem precisarem se chocar uns
com os outros.
Buraco negro atômico
O experimento, o primeiro a demonstrar alguma coisa semelhante a um buraco
negro em escala atômica, ganhou a capa da última edição da revista Physical
Review Letters, a mais importante revista científica de física do mundo.
"Em uma escala de nanômetros, nós criamos uma atração inexorável e
destrutiva semelhante à que os buracos negros exercem sobre a matéria em
escalas cósmicas," diz Lene Vestergaard Hau, coautora da pesquisa.
A Dra. Lene Hau ficou famosa mundialmente ao criar os primeiros
experimentos capazes de parar a luz. Suas experiências também serviram de
base para que outros cientistas capturassem o "nada", ou pelo menos o que
os físicos chamam de vácuo condensado.
"Além de ser extremamente importante para os cientistas, esta é a primeira
fusão entre a física dos átomos frios e a nanociência, abrindo as portas a
uma nova geração de experiências de átomos frios e dispositivos em
nanoescala," vislumbra ela.
Nanofio de carbono
O nanotubo de carbono de parede única - sua parede é formada por uma única
camada de átomos de carbono - foi fabricado sobre uma abertura de 10
micrômetros de largura de um chip de silício por meio de um processo
chamado deposição química a vapor.
O chip fornece tanto a sustentação mecânica quanto os eletrodos por meio
dos quais o nanotubo de carbono pode ser energizado.
Desta forma, embora seja oco, neste experimento o nanotubo funcionou como
um nanofio de carbono, sendo que os átomos não tinham uma rota pela qual
pudessem "mergulhar" diretamente por seu interior.
"Do ponto de vista do átomo, o nanotubo é infinitamente longo e fino,
gerando um efeito singular sobre o átomo", diz Hau.
Acelerando átomos
Hau e seus colegas usaram raios laser para resfriar nuvens contendo um
milhão de átomos de rubídio até uma fração de grau acima do zero absoluto.
Em seguida, elas arremessaram essa nuvem atômica - que tem um comprimento
na faixa de milímetros - em direção ao nanotubo de carbono suspenso, que
estava localizado a cerca de dois centímetros de distância e carregado com
centenas de volts.
A grande maioria dos átomos passou direto pelo nanofio, mas aqueles que se
aproximaram a cerca de um micrômetro dele foram inevitavelmente atraídos,
entrando em um movimento em espiral ao seu redor e alcançando altíssimas
velocidades, acelerados pela tensão do nanotubo.
Apenas cerca de 10 átomos de cada nuvem de um milhão deles espiralou pelo
nanotubo.
"De uma velocidade inicial de cerca de 5 metros por segundo, os átomos
frios atingiram velocidades de aproximadamente 1.200 metros por segundo, ou
quase 4.500 quilômetros por hora, à medida que giravam ao redor do
nanotubo," diz Anne Goodsell, coautora da pesquisa.
"Como parte dessa tremenda aceleração, a temperatura correspondente à
energia cinética dos átomos passou de 0,1 Kelvin para milhares de graus
Kelvin em menos de um microssegundo," complementa Goodsell.
Física e nanociências
Neste ponto, os átomos acelerados desintegraram-se em um elétron e um íon,
ambos girando em paralelo ao redor do nanofio, cada um completando uma
órbita em apenas alguns trilionésimos de segundo.
O elétron eventualmente é sugado pelo nanotubo por meio do tunelamento
quântico, fazendo com que seu companheiro íon seja arremessado para longe -
repelido pela forte carga elétrica de 300 volts do nanotubo - a uma
velocidade de cerca de 26 quilômetros por segundo, quase 95.000 quilômetros
por hora.
A precisão alcançada pelo experimento, permitindo o acompanhamento tanto
dos átomos quanto dos processos em nanoescala, incluindo o rastreamento dos
átomos, dos elétrons e da dinâmica dos íons, só foi possível graças a uma
junção inédita entre a física e as nanociências.
Bibliografia:
Field Ionization of Cold Atoms near the Wall of a Single Carbon Nanotube
Anne Goodsell, Trygve Ristroph, Jene A. Golovchenko, Lene Vestergaard Hau
Physical Review Letters
April 2010
Vol.: 104, 133002 (2010)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.133002