Primeira imagem da estrutura orbital do hidrogênio é obtida em laboratório
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Primeira imagem da estrutura orbital do hidrogênio é obtida em laboratório

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A imagem acima é uma bela quebra de um paradigma científico. Trata-se de um registro oriundo da observação direta de um átomo de hidrogênio. Para conseguir a façanha, os pesquisadores envolvidos no projeto utilizaram um novo aparato convenientemente chamado de microscópio quântico — o qual, conforme o nome indica, permite um vislumbre efêmero do amalucado reino quântico.

Para começar a traduzir um pouco o “cientifiquês” da novidade, entende-se por “estrutura orbital” o espaço ocupado pelo núcleo do átomo e seus elétrons — ou “elétron”, considerando-se especificamente o hidrogênio. O que tornou possível a façanha científica da imagem que abre este texto também responde por um jargão científico: trata-se da “função de onda”.

Trata-se de uma função matemática utilizada para tentar apreender algum sentido no maravilhoso caos quântico. Os valores assim obtidos tratam do comportamento de partículas subatômicas no tempo e no espaço. Em uma ocasião típica, é o expediente utilizado pelos cientistas — como a equação de Schrödinger — para descrever estados subatômicos, originando um sem-número de resultados complexos e gráficos tenebrosos.

O primeiro registro direto

A grande conquista da imagem que abre este texto, entretanto, foi a capacidade de realmente observar a função de onda — para além de um monte de números e teorias, pelo menos. Embora determinar a posição exata de um elétron seja semelhante a tentar apanhar uma nuvem de mosquitos com uma das mãos — uma espécie de incoerência quântica, na verdade —, é possível apreender todo um estado quântico baseado em inferências estatísticas.

Fonte da imagem: Reprodução/Physics

Entretanto, para isso é necessária uma ferramenta capaz de efetuar diversas medidas de padrões de onda ao longo do tempo. Entretanto, ainda restaria o desafio: como aumentar as imagens registradas, baseadas nos estados quânticos das partículas subatômicas? Bem, de acordo com os cientistas, é aí que aparece o microscópio quântico.

Elétrons projetados

O invento utiliza fotoionização microscópica para visualizar diretamente as estruturas atômicas. Em texto postado no Physical Review Letters, Aneta Stodolna, do Institudo FOM de Física Atômica e Molecular, descreve como ela e sua equipe conseguiram captar a estrutura nodal de um átomo de hidrogênio — postado em um campo elétrico estático.

O processo envolveu lançar pulsos de laser sobre os átomos, o que fez com que os elétrons, então ionizados, escapassem e seguissem trajetórias particulares em direção a um detector bidimensional. Naturalmente, há inúmeras trajetórias que os elétrons podem tomar antes de atingir o mesmo ponto do detector. De acordo com Stodolna, isso produziu padrões de interferências que refletiram a estrutura nodal das funções de onda.

Por fim, para concluir o registro, os pesquisadores utilizaram uma lente eletrostática capaz de aumentar em 20 mil vezes as projeções obtidas dos elétrons. Para o futuro, os pesquisadores pretendem utilizar a mesma tecnologia para verificar as reações dos átomos no interior de campos magnéticos.

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