Artigo de físicos brasileiros demonstra que fótons podem se comportar como elétrons

 Artigo publicado por pesquisadores de três universidades brasileiras em periódico internacional de prestígio mostra que as partículas de luz (fótons), ao atravessarem meios transparentes, podem formar pares, comportando-se como os elétrons em materiais que conduzem eletricidade sem dissipar calor. Esses resultados, importantes para entender o comportamento básico da matéria, podem levar a aplicações tecnológicas. O Núcleo de Comunicação Social convidou o físico Fernando Nicacio – mestre e doutor pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) e atualmente na Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) – para explicar esse trabalho recém-publicado para o grande público.

O elétron é a partícula subatômica responsável pela condução de eletricidade nos materiais ditos condutores. Ao se deslocar em um meio, a resistência do material à passagem de corrente elétrica dissipa energia, na forma de calor. É esse fenômeno o responsável, por exemplo, pelo aquecimento da água do chuveiro elétrico e pela iluminação das lâmpadas incandescentes.

Do mesmo modo que água se transmuta em algo completamente diferente quando tem sua temperatura e pressão alteradas – e passa a ter outras propriedades físicas –, alguns materiais também sofrem tal transformação – chamada tecnicamente transição de fase. Por exemplo, certos metais podem passar de condutores a supercondutores, só que, para isso, a temperatura deles deve ser baixada a um valor extremamente pequeno, próximo de 273 graus celsius negativos.

A fase supercondutora tem a propriedade de não oferecer resistência alguma à passagem de corrente elétrica, isto é, não há dissipação de calor. A supercondutividade foi descoberta pelo físico holandês Kamerlingh Onnes (1853-1926) – que ganhou o Nobel de 1913 por esse resultado – e faz parte de uma seleta classe de fenômenos nos quais efeitos genuinamente quânticos – ou seja, relacionados ao diminuto mundo das moléculas, dos átomos e das partículas subatômicas – manifestam-se na escala macroscópica, de nosso dia a dia. Até hoje, cinco prêmios Nobel já foram concedidos a estudos relacionados à supercondutividade – o que é prova da importância científica e tecnológica desse fenômeno.

Bósons e férmions

E por que o comportamento do material muda e ele se torna um supercondutor? Voltemos à analogia sobre a transição da fase líquida para a sólida da água: em temperaturas próximas do ponto de solidificação, é mais favorável (ou menos dispendioso) energeticamente que as moléculas se organizem e se interliguem para formar o gelo. Uma explicação simples para isso é que a natureza sempre tende a menores estados de energia.

O mesmo ocorre para o condutor, no qual uma nova organização da matéria emerge: os elétrons do material se ligam em pares, pois, na temperatura da transição entre a fase condutora e supercondutora, essa configuração tem menor energia, apesar da mútua repulsão entre os elétrons por conta de suas cargas elétricas. Esses pares de elétrons são denominados pares de Cooper, em homenagem ao físico norte-americano Leon Cooper, descobridor do fenômeno. Por resultados relacionados à supercondutividade, Cooper e outros dois norte-americanos, John Bardeen (1908-1991) e Robert Schrieffer, ganharam o Nobel de Física de 1957.

Os fótons (partículas de luz) têm propriedades completamente distintas das dos elétrons. Por exemplo, enquanto elétrons possuem carga elétrica e massa, fótons não as têm. Mas, talvez, a mais notável diferença entre essas duas partículas seja a seguinte: os fótons têm spin inteiro (1), e os elétrons, spin fracionário (½).

O spin, assim como a massa e a carga, é uma propriedade fundamental da matéria e, para nossos propósitos aqui, pode ser comparado a uma ‘rotação’ natural da partícula ao redor de seu próprio ‘eixo’, como o movimento diário da Terra.

A grande divisão no estudo das propriedades da matéria vem do valor do spin – e não do fato de terem ou não massa e carga. Assim, partículas com spin inteiro, como o fóton, são chamadas bósons; aquelas com spin fracionário (elétrons, por exemplo), férmions.

Também em pares

Até pouco tempo atrás, não se especulava que fótons e elétrons pudessem se parecer ou se comportar de forma similar. Contudo, um trabalho genuinamente brasileiro, desenvolvido por uma colaboração de físicos da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Universidade Federal de Minas Gerais e Universidade Federal Fluminense, mostrou que fótons, quando atravessam materiais transparentes, interagem aos pares, exatamente como os de Cooper.

Em um supercondutor, a formação dos pares de elétrons ocorre por mediação da própria estrutura do material – mais especificamente, da rede cristalina, ou seja, do modo como os núcleos atômicos estão dispostos. O que foi mostrado no artigo recém-publicado em Physical Review Letters – e sustentado por medidas feitas em laboratório em vários materiais – é que dois fótons também podem interagir por meio da mediação da rede cristalina do material, de forma muito similar ao que ocorre com os elétrons em um supercondutor.

É interessante dizer que esses resultados foram fruto da colaboração de pesquisadores teóricos e experimentais de áreas distintas da física. Esse trabalho conjunto culminou no belo, surpreendente e profundo resultado sobre um comportamento da natureza até então desconhecido. A exploração do fenômeno da supercondutividade possibilitou várias aplicações tecnológicas interessantes, como o uso da levitação magnética para o transporte, motores magnéticos e geradores mais eficientes. Os possíveis desdobramentos do resultado obtido pelos grupos brasileiros ainda são especulativos e dependem de mais pesquisa. Mas, certamente, já devem estar na pauta de vários pesquisadores e laboratórios.

Por fim, vale dizer que os resultados relatados aqui – cuja qualidade científica é indiscutível – serão democraticamente explorados por cientistas de todo o mundo. Em um país que levasse a sério o desenvolvimento humano, científico, tecnológico e industrial, caberia um plano estratégico para avaliar e investir em possíveis desdobramentos práticos de tal descoberta. Contudo, no momento em que a ciência brasileira encontra-se abandonada pelo governo, o Brasil, certamente, passará ao largo disso. E, assim, deixaremos, mais uma vez, que outras instituições internacionais tomem a frente nesse processo.

Tudo indica que, ‘como nossos pais’, aguardaremos, pacificamente, que Brasil, algum dia, torne-se o tão esperado país do futuro. No entanto, desde já temos uma certeza: sem ciência e tecnologia, esse dia nunca chegará.

Fernando Nicacio

Professor substituto e pós-doutorando,

Instituto de Física,

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Mais informações:

Artigo: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.193603

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