[] A Condensação de Bose-Einstein no IFSC-USP [K.M.F. Magalhães; E.A.L. Henn; R.R. Silva; S.R. Muniz; L.G. Marcassa; V.S. Bagnato] 

A Condensação de Bose-Einstein
Kilvia M.F. Magalhães;  Emanuel A.L. Henn;  Reginaldo R. Silva;

Sergio R. Muniz;  Luis G. Marcassa;  Vanderlei S. Bagnato

Instituto de Física de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, SP
 

Poder explicar o mundo macroscópico, a partir do entendimento de seus constituintes microscópicos, sempre foi de grande interesse para a Física. Assim, um dos grandes sucessos da ciência foi o estabelecimento da atomística. Partindo da hipótese de que tudo é constituído de entidades de tamanho extremamente pequeno, chamadas de átomos, fomos capazes de explicar várias das propriedades do mundo macroscópico. Historicamente, a explicação das propriedades de um gás, como pressão e temperatura, bem como volume, foi o primeiro grande sucesso em termos de conectar o mundo microscópico com o mundo macroscópico.

À medida que os estudos nessa área foram se aprofundando, foi descoberto que, no seu íntimo micromundo, a matéria tem um comportamento distinto daquele que nosso cotidiano nos permite inferir. Quando descemos às dimensões tão pequenas quanto o átomo, a matéria tem o chamado comportamento quântico, onde ondas são entidades que melhor descrevem a matéria em vez de corpúsculos massivos. As leis gerais são, portanto diferentes das leis tradicionais da mecânica e encaixam-se dentro de outro escopo, o da mecânica quântica. Normalmente, é difícil observar no mundo macroscópico do dia-a-dia as evidências quânticas do íntimo da matéria.

Em laboratório, as manifestações macroscópicas de certos efeitos quânticos são sempre surpreendentes e acabam revelando efeitos inesperados, como é o caso da superfluidez do Hélio, a supercondutividade, efeito Hall quântico e outros. Dentro desta classe de efeitos, a condensação de Bose-Einstein (CBE) em gases a baixas densidades é um efeito interessante, que somente foi observado muito recentemente [1,2,3] graças ao advento e avanço das modernas técnicas para resfriar e confinar átomos neutros [4,5,6]. Observações deste tipo devem revelar propriedades do sistema que nos possibilite entender importantes detalhes de sistemas quânticos degenerados, quem sabe fornecendo evidências para um melhor entendimento do comportamento da superfluidez, dentre outros efeitos similares.

A condensação de Bose-Einstein foi inicialmente prevista por Albert Einstein, em 1925, usando para isso as bases teóricas contidas no trabalho do cientista Nath Bose [1].

Quando um gás é resfriado a temperaturas muito baixas, é possível atingir a condensação de Bose-Einstein. Neste regime, o comportamento do sistema deixa de ser clássico e a visão tradicional que temos de um gás como sendo constituído de partículas animadas de um movimento desordenado não mais se sustenta. Isso acontece se as partículas do gás forem do tipo bósons.

Para entendermos as bases da CBE, é preciso primeiro saber que, pela mecânica quântica, os constituintes de um gás confinado não apresentam um espectro de energia contínuo, mas somente valores discretos são possíveis. As partículas que constituem esse sistema apresentam-se estatisticamente distribuídas por esses estados de energia, e todas as propriedades do sistema advêm da contribuição estatística dessas várias partículas contidas nos vários estados de energia. Nenhum dos estados se apresenta ocupado com um número macroscópico de partículas, de modo que nenhum dos estados contribui diferentemente para as propriedades termodinâmicas do sistema, além daquela que advém de seu peso estatístico.

Como observado por Einstein, um gás constituído por bósons poderia, em ultra-baixas temperaturas, apresentar uma população macroscópica no seu estado de mais baixa energia (número este da ordem do número total de partículas do sistema). Neste ponto, as partículas nesse específico estado contribuíram para as propriedades do gás de uma forma diferente das demais, com um “peso” maior. Isto causa uma mudança de comportamento com relação às propriedades termodinâmicas (como pressão, viscosidade, condutividade térmica, etc.), que normalmente caracterizam a transição de fase física. Neste contexto, a CBE leva o sistema para uma nova “fase” com propriedades bastante peculiares.

Mais informações

[1]  M.H. Anderson, J.R. Ensher, M.R. Matthews, C.E. Wieman, E.A. Cornell, Science , 198–201 (1995).

[7]  A. Einstein, “Quantentheorie des einatomigen edealen Gases”, Sitzungsberichte der Preussischen Akadeie der Wissenshaften 261 (1924); A. Einstein, “Quantentheorie des einatomigen edealen Gases II”, Sitzungsberichte der Preussischen Akadeie der Wissenshaften I, 3–14 (1925).