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Elétrons: três descobertas mostram que não sabemos quase nada sobre eles

por Rafael Panteri | 05/11/2021

Grande parte da tecnologia se baseia no comportamento dos elétrons. Por esse motivo achamos que entendemos tudo sobre eles. E isso é uma mentira!

A palavra “elétron” vem do grego elektron e significa ‘âmbar’, uma resina excretada por determinados tipos de vegetais para proteção contra insetos e microorganismos. Com o passar do tempo, essa substância endurece devido à perda de água, tornando-se resina fossilizada. O filósofo grego Tales de Mileto (625 a.C. – 546 a.C.) observou que, ao esfregar essa resina fossilizada em certos tipos de tecido, como seda, lã ou camurça, ela passava a atrair objetos leves – pedaços de papel picado, por exemplo.

história Elétrons
Escorpião dentro de âmbar, uma resina fossilizada – Imagem reproduzida de Amazon.com

Com os experimentos que levaram ao modelo atômico atual, os cientistas afirmam que o átomo é composto de uma partícula de carga negativa. Essa unidade se encontra na eletrosfera movendo-se em órbitas circulares ao redor do núcleo – as chamadas ‘camadas eletrônicas’.

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Essa partícula negativa é o elétron, cujo comportamento é base para grande parte da nossa tecnologia atual. Tudo o que é elétrico ou eletrônico depende do movimento dessas partículas. Por esse motivo, levamo-nos a crer que entendemos tudo sobre elas, mas isso não é verdade.

Toda semana, algum novo estudo abre os olhos dos cientistas sobre essa falsa impressão. Conheça agora, através do texto a seguir, três exemplos disso!

Elétrons podem ser parados pela luz

A luz é formada por fótons, subpartículas de massa desprezível. Comparado com um elétron, um fóton é insignificante em relação à massa e tamanho. Seria a luz forte o bastante para interferir no movimento de um elétron?

Bem, as teorias dizem que sim! Por exemplo, a Reação de Radiação diz que “se a luz for forte o suficiente, o elétron pode ser chacoalhado tão violentamente que ele perde energia e, consequentemente, sua velocidade diminui”.

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Essa teoria é usada para pensar situações extremas, como buracos negros e quasares, onde se acredita haver energias de magnitudes suficientes para gerar essas colisões fóton-elétron com efeitos mensuráveis. E a reação de radiação também é importante nos estudos da física quântica, visto que as equações de Maxwell não têm poder explicativo nesses ambientes extremos.

Recentemente, pela primeira vez, Jason Cole e seu time de cientistas do Imperial College de Londres conseguiram medir a reação de radiação em laboratório. Eles conseguiram observar esta reação de radiação colidindo um feixe de laser um quatrilhão (um bilhão de milhões) de vezes mais brilhante do que a luz na superfície do Sol com um feixe de elétrons de alta energia. Quando os elétrons alcançavam os fótons dessa “cortina de luz”, eles praticamente paravam, enquanto os fótons ganhavam energia, passando de luz visível para raios gama de altíssima energia.

Os dados do experimento também concordam melhor com um modelo teórico baseado nos princípios da eletrodinâmica quântica, em vez das equações de Maxwell, fornecendo algumas das primeiras evidências de modelos quânticos que nunca haviam sido testados experimentalmente.

Elétrons movendo-se como líquidos

Embora os elétrons movem-se pelos materiais de forma parecida com um gás, em 2019, as coisas começaram a mudar, com a demonstração experimental de um exótico líquido de elétrons.

Os avanços prosseguiram, em 2020, com a observação de elétrons se movimentando de modo similar a um líquido em materiais monoatômicos, como grafeno. E, há cerca de um mês, esse mesmo fenômeno dos elétrons fluindo como líquido foi observado em um supercondutor.

Agora, uma equipe da Alemanha e dos EUA mostrou que o movimento hidrodinâmico dos elétrons pode ocorrer inclusive em materiais comuns, tridimensionais (3D).

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história Elétrons
Os elétrons podem fluir como um líquido também na matéria comum. [Imagem: MPI/CPfS]

Elétrons podem fluir como um líquido também na matéria comum. [Imagem: MPI/CPfS]

Utilizando sensores ultra precisos, a equipe conseguiu captar imagens do campo magnético local de um fluxo de corrente elétrica em um material chamado ditelureto de tungstênio , revelando um comportamento bem incomum nos elétrons.

“Essa pesquisa também abre caminho para explorar o comportamento não clássico dos fluidos no fluxo hidrodinâmico de elétrons, como vórtices em estado estacionário.”

afirmou Georgios Varnavides, um dos autores do estudo.

Elétrons interagindo com outros Elétrons

A corrente elétrica nada mais é do que elétrons fluindo através de um material condutor. Durante esse deslocamento, os elétrons colidem em impurezas perdendo energia e liberando calor. Essa interação com as impurezas já é bem conhecida, mas o que ainda não era estudado em detalhes é a interação com outros elétrons.

Adbhut Gupta e colegas da Universidade Técnica da Virgínia, nos EUA, realizaram um experimento que possibilitou o entendimento desse fenômeno. Para isso, eles precisaram de baixas temperaturas, um campo magnético para fazer os elétrons girarem em órbitas definidas e materiais ultrapuros, para que os elétrons se chocassem apenas entre eles.

O principal objetivo do estudo era medir a distância que os elétrons viajariam em suas órbitas antes de encontrarem outros elétrons e se chocassem, fugindo das órbitas. O experimento não apenas funcionou, como mostrou resultados bem mais fortes do que aqueles previstos pela teoria, algo que merece novos estudos teóricos e novos experimentos de confirmação.

No entanto, esta não foi a única surpresa que o experimento revelou. Como vimos na descoberta anterior, experimentos recentes começaram a mostrar que, em certos materiais e sob determinadas condições, grupos de elétrons fluem coletivamente e se comportam como um líquido.

Mas o que apareceu aqui foi mais complicado: os elétrons fluem em vórtices, como redemoinhos, algo que ainda está por ser explicado. Embora os redemoinhos magnéticos, chamados skyrmions, sejam bem conhecidos, esses redemoinhos elétricos são uma novidade.

“Os redemoinhos persistem mesmo que as interações entre os elétrons sejam muito fracas,” disse Gupta. “Neste ponto, não se sabe muito sobre esse comportamento coletivo no limite da interação fraca. É um fenômeno novo, que uma única partícula não teria mostrado. O nosso é o primeiro experimento a sugerir esse tipo de comportamento coletivo.”

O que achou desses estudos? Deixe a sua opinião nos comentários!

Veja Também: Químicos descobrem material que praticamente NÃO conduz calor


Fontes: Inovação Tecnologia, Artigo 1, Nature

A palavra “elétron” vem do grego elektron e significa ‘âmbar’, uma resina excretada por determinados tipos de vegetais para proteção contra insetos e micro-organismos. Com o passar do tempo, essa substância endurece por causa da perda de água, torando-se resina fossilizada. O filósofo grego Tales de Mileto (625 a.C. – 546 a.C.) observou que, ao esfregar essa resina fossilizada em certos tipos de tecido, como seda, lã ou camurça, ela passava a atrair objetos leves – pedaços de papel picado, por exemplo.

história Elétrons
Escorpião dentro de âmbar, uma resina fossilizada – Imagem reproduzida de Amazon.com

Com os experimentos que levaram ao modelo atômico atual, os cientistas afirmam que o átomo é composto de uma partícula de carga negativa. Essa unidade se encontra na eletrosfera movendo-se em órbitas circulares ao redor do núcleo – as chamadas ‘camadas eletrônicas’.

Essa partícula negativa é o elétron, cujo comportamento é base para grande parte da nossa tecnologia atual. Tudo o que é elétrico ou eletrônico depende do movimento dessas partículas. Por esse motivo, nos levamos a crer que entendemos tudo sobre elas, mas isso não é verdade.

Toda semana, algum novo estudo abre os olhos dos cientistas sobre essa falsa impressão. Conheça agora, através do texto a seguir, três exemplos disso!

Elétrons podem ser parados pela luz

A luz é formada por fótons, subpartículas de massa desprezível. Comparado com um elétron, um fóton é insignificante em relação à massa e tamanho. Seria a luz, forte o bastante para interferir no movimento de um elétron?

Bem, as teorias dizem que sim! Por exemplo, a Reação de Radiação diz que “se a luz for forte o suficiente, o elétron pode ser chacoalhado tão violentamente que ele perde energia e, consequentemente, sua velocidade diminui”.

Essa teoria é usada para pensar situações extremas, como buracos negros e quasares, onde se acredita haver energias de magnitudes suficientes para gerar essas colisões fóton-elétron com efeitos mensuráveis. E a reação de radiação também é importante nos estudos da física quântica, uma vez que as equações de Maxwell não têm poder explicativo nesses ambientes extremos.

Recentemente, pela primeira vez, Jason Cole e seu time de cientistas do Imperial College de Londres conseguiram medir a reação de radiação em laboratório. Eles foram capazes de observar esta reação de radiação colidindo um feixe de laser um quatrilhão (um bilhão de milhões) de vezes mais brilhante do que a luz na superfície do Sol com um feixe de elétrons de alta energia. Quando os elétrons alcançavam os fótons dessa “cortina de luz”, eles praticamente paravam, enquanto os fótons ganhavam energia, passando de luz visível para raios gama de altíssima energia.

Os dados do experimento também concordam melhor com um modelo teórico baseado nos princípios da eletrodinâmica quântica, em vez das equações de Maxwell, fornecendo algumas das primeiras evidências de modelos quânticos que nunca haviam sido testados experimentalmente.

Elétrons movendo-se como líquidos

Embora os elétrons movam-se pelos materiais de forma parecida com um gás, em 2019, as coisas começaram a mudar, com a demonstração experimental de um exótico líquido de elétrons.

Os avanços prosseguiram, em 2020, com a observação de elétrons se movimentando de modo similar a um líquido em materiais monoatômicos, como grafeno. E, há cerca de um mês, esse mesmo fenômeno dos elétrons fluindo como líquido foi observado em um supercondutor.

Agora, uma equipe da Alemanha e dos EUA mostrou que o movimento hidrodinâmico dos elétrons pode ocorrer inclusive em materiais comuns, tridimensionais (3D).

história Elétrons
Elétrons podem fluir como um líquido também na matéria comum.
[Imagem: MPI/CPfS]

Utilizando sensores ultra precisos, a equipe conseguiu capturar imagens do campo magnético local de um fluxo de corrente elétrica em um material chamado ditelureto de tungstênio , revelando um comportamento bem incomum nos elétrons.

“Essa pesquisa também abre caminho para explorar o comportamento não clássico dos fluidos no fluxo hidrodinâmico de elétrons, como vórtices em estado estacionário.”

afirmou Georgios Varnavides, um dos autores do estudo.

Elétrons interagindo com outros Elétrons

A corrente elétrica nada mais é do que elétrons fluindo através que um material condutor. Durante esse deslocamento, os elétrons colidem em impurezas perdendo energia e liberando calor. Essa interação com as impurezas já é bem conhecida, mas o que ainda não era estudado em detalhes é a interação com outros elétrons.

Adbhut Gupta e colegas da Universidade Técnica da Virgínia, nos EUA, realizaram um experimento que possibilitou o entendimento desse fenômeno. Para isso, eles precisaram de baixas temperaturas, um campo magnético para fazer os elétrons girarem em órbitas definidas e materiais ultrapuros, para que os elétrons se chocassem apenas entre eles.

O principal objetivo do estudo era medir a distância que os elétrons viajariam em suas órbitas antes de encontrarem outros elétrons e se chocassem, fugindo das órbitas. O experimento não apenas funcionou, como mostrou resultados bem mais fortes do que aqueles previstos pela teoria, algo que merecerá novos estudos teóricos e novos experimentos de confirmação.

No entanto, esta não foi a única surpresa que o experimento revelou. Como vimos na descoberta anterior, experimentos recentes começaram a mostrar que, em certos materiais e sob determinadas condições, grupos de elétrons fluem coletivamente e se comportam como um líquido.

Mas o que apareceu aqui foi mais complicado: os elétrons fluíram em vórtices, como redemoinhos, algo que ainda está por ser explicado. Embora os redemoinhos magnéticos, chamados skyrmions, sejam bem conhecidos, esses redemoinhos elétricos são uma novidade.

“Os redemoinhos persistem mesmo que as interações entre os elétrons sejam muito fracas,” disse Gupta. “Neste ponto, não se sabe muito sobre esse comportamento coletivo no limite da interação fraca. É um fenômeno novo, que uma única partícula não teria mostrado. O nosso é o primeiro experimento a sugerir esse tipo de comportamento coletivo.”

O que achou desses estudos? Deixe a sua opinião nos comentários!

Veja Também: Químicos descobrem material que praticamente NÃO conduz calor


Fontes: Inovação Tecnologia, Artigo 1, Nature

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Rafael Panteri

Estudante de Engenharia Elétrica no Instituto Mauá de Tecnologia. Parte da graduação em Shibaura Institute of Technology - Japão.