Função de Onda Quântica é finalmente fotografada pela primeira vez

É muito fácil imaginar uma partícula, mas não é tão simples imaginar uma onda fundamental, uma onda que não ondula em nada, por assim dizer.

E essa é a realidade encarada pela física atual, que lida muito bem com as ondas, mas está tendo problemas com o bóson de Higgs, que deveria explicar quando é que as ondas ganham materialidade – quando elas viram partículas, já que os elementos atômicos e subatômicos comportam-se tanto como ondas quanto como partículas.

É por isso que se diz que a descrição matemática das ondas, a tal função de onda, é a matemática que virou realidade.

E uma realidade que agora se tornou visível: Zhehao Ge e seus colegas da Universidade da Califórnia de Santa Cruz fotografaram a função de onda.

Imagem de um ponto quântico

Ge estava tentando fotografar um ponto quântico, uma espécie de poço onde elétrons caem e ficam presos, formando uma estrutura semicondutora. Embora já sejam usados pela indústria na fabricação de telas e monitores, células solares e LEDs, a física fundamental dos pontos quânticos ainda está longe de ser totalmente descrita.

De fato, como os elétrons ficam se embaralhando em uma área minúscula, eles constantemente ficam em superposição, o fenômeno quântico que permite que uma partícula guarde vários dados ao mesmo tempo. Isso significa que essas nanoestruturas semicondutoras poderão vir a ser usadas como qubits para a computação quântica – e qubits já fabricados em escala industrial são tudo o que os engenheiros podem querer.

“Tem havido um bocado de trabalho para desenvolver este sistema para a ciência da informação quântica, mas ainda nos falta uma compreensão de como os elétrons se parecem nesses pontos quânticos,” disse o professor Jairo Velasco.

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Ge conseguiu fotografar o ponto quântico construindo um em duas camadas sobrepostas de grafeno, por sua vez depositadas sobre uma camada isolante de nitreto de boro. Uma alta tensão disparada na estrutura, usando a ponta de um microscópio de tunelamento, cria cargas no nitreto de boro que servem para confinar eletrostaticamente os elétrons na bicamada de grafeno.

O que o pesquisador não esperava é que um “penetra” muito bem-vindo aparecesse na foto: A imagem permite ver claramente cada “elétron-onda”, ou onda eletrônica – o elétron entendido como uma onda, e não como uma partícula.

Esquema do ponto quântico e sua visualização direta.
[Imagem: Zhehao Ge et al. – 10.1021/acs.nanolett.0c03453]

Imagem da função de onda

Ao contrário do que a teoria previa, com o campo elétrico funcionando como uma cerca para prender os elétrons, o que a imagem mostra é o que os físicos chamam de “quebra de simetria rotacional“, com três picos, em vez das esperadas ondas concêntricas.

“Nós vemos anéis circularmente simétricos nas monocamadas de grafeno, mas no grafeno de duas camadas os estados dos pontos quânticos têm uma simetria tripla,” disse Velasco. “Os picos representam locais de alta amplitude na função de onda. Os elétrons têm uma natureza dual onda/partícula e estamos visualizando as propriedades de onda do elétron no ponto quântico.”

Além de uma curiosidade histórica e de marcar mais um sucesso da teoria quântica, a compreensão da natureza da função de onda é importante porque esta propriedade básica determina várias características relevantes para o processamento de informações quânticas, como o espectro de energia do elétron, as interações entre os elétrons e o acoplamento dos elétrons ao seu ambiente.

“Isto está avançando nossa compreensão fundamental do sistema e seu potencial para tecnologias de informação quântica”, disse Velasco. “É uma peça que faltava no quebra-cabeça e, em conjunto com o trabalho de outros, eu acredito que estamos caminhando para torná-lo um sistema útil.”

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