Como o condensado de Bose-Einstein explica o quinto estado da matéria

O Condensado de Bose-Einstein (BEC) é considerado o quinto estado da matéria, ao lado dos gases, líquidos, sólidos e plasmas. Apesar de os cientistas o compreenderem como a quinta fase da matéria, eles o consideram a mais misteriosa de todas, pois a maioria dos dados sobre o tema só foram testados com métodos científicos a partir dos anos 90.

Inicialmente, o estado foi sugerido pelo físico e matemático indiano Satyendra Nath Bose, no início do século 20, mas foi reavaliado juntamente com Albert Einstein . Desde então, foi criado o conceito do condensado de Bose-Einstein, uma teoria que se tornou fundamental para auxiliar na compreensão de certas partículas da física quântica.

“A partir de uma certa temperatura, as moléculas 'condensam' sem forças atrativas; ou seja, eles se acumulam à velocidade zero. A teoria é bonita, mas há alguma verdade nela”, explica Albert Einstein em uma pesquisa sobre o condensado de Bose-Einstein.

O condensado de Bose-Einstein (imagem) foi teorizado pelos físicos Satyendra Nath Bose e Albert Einstein nos anos 20, mas só foi comprovado na década de 90.

Para explicar alguns dos conceitos do condensado de Bose-Einstein, o TecMundo reuniu informações de estudos e de especialistas da área. É importante destacar que o artigo explicará de forma mais simplificada, pois o tema envolve aplicações da matemática e da física.

O BEC é resultado de um efeito quando um gás ultrararefeito composto por átomos de bósons é resfriado a temperaturas extremamente baixas, próximas do zero absoluto (273,15 graus Celsius). A teoria sobre o condensado foi criada após Albert Einstein ler um artigo publicado por Satyendra Nath Bose, em 1925 — inclusive, o Bóson também foi nomeado em homenagem ao físico indiano.

Quando os átomos são resfriados nestas baixas temperaturas, eles quase não têm energia para se mover uns entre os outros, por isso, eles se agrupam e entram um estado singular de energia. A partir daí, eles começam a se comportar como um único átomo e criam o que é chamado de condensado de Bose-Einstein.

Uma boa metáfora é imaginar uma piscina de bolinhas: pense que, quando está quente, as bolinhas se mantém espalhadas pela piscina; contudo, quando elas esfriam em temperaturas próximas do zero absoluto, se agrupam e organizam como se fossem uma bolinha maior. 

Na imagem, é possível observar o comportamento de superfluidez do condensado de Bose-Einstein, onde o grupo funciona como um único átomo sem perder energia por atrito.

Segundo Einstein, o efeito de Bose-Einstein pode descrever o estado das ondas de luz e de átomos, em uma condição quântica que agrupa grupos de bósons em um estado singular. Apesar de ter sido teorizada em 1925, a primeira observação só foi testada cientificamente em 1995, quando cientistas resfriaram átomos de rubídios-87 para comprovar o efeito; em 2001, os físicos deste estudo ganharam o Prêmio Nobel da Física.

Um dos principais mistérios por trás do BEC é que ele não segue o Princípio de Exclusão de Pauli. Segundo o físico Wolfgang Pauli, os tipos de partículas que compõe a matéria não estão em estados quânticos, como os outros quatro estados da matéria, contudo, o condensado de Bose-Einstein não segue a mesma regra.

"O condensado de Bose-Einstein é uma das mais fascinantes formas da matéria, onde as leis da física quântica são amplamente evidentes em uma escala macroscópica. É como se a natureza nos permitisse espiar um mundo microscópico surpreendente e exótico através de uma lupa poderosa” disse o físico norte-americano e vencedor do Prêmio Nobel de Física de 2001, Carl Wieman, pela criação do condensado de Bose-Einstein.

Na primeira detecção do condensado de Bose-Einstein, após agrupar átomos de rubídio-87, os cientistas iniciaram um processo de resfriamento utilizando feixes de lasers para retirar a energia dos átomos. Contudo, eles também passam por um resfriamento evaporativo para chegar a temperatura próxima do zero absoluto; é nesse ponto eles começam a se comportar como um único átomo.

O condensado de Bose-Einstein foi inicialmente previsto por Satyendra Nath Bose, mas foi aperfeiçoado pelo físico Albert Einstein e ajudou a abrir muitas portas no campo da física quântica. 

Em 2018, um estudo descreveu como uma equipe de cientistas conseguiu criar, pela primeira vez, um BEC no espaço. A pesquisa explica que um mini laboratório autônomo foi lançado em um foguete e, assim, eles realizaram testes em ambiente espacial; assim como o outro estudo, os cientistas utilizaram grupos de átomos de rubídio-87 para produzir o condensado — o experimento espacial detém o recorde de objeto mais frio criado no espaço, contudo, a humanidade já criou objetos ainda mais frios na Terra.

“Em 23 de janeiro de 2017, como parte da missão de foguete de sondagem MAIUS-1, criamos condensados de Bose-Einstein no espaço e conduzimos 110 experimentos centrais para interferometria de onda de matéria, incluindo resfriamento a laser e captura de átomos na presença de grandes acelerações experimentadas durante o lançamento”, a equipe explica no estudo.

Em 2022, físicos da Universidade de Tóquio, no Japão, deixaram os átomos de rubídio-87 de lado e criaram o primeiro condensado de Bose a partir estados transitórios formados por diversas partículas, chamados de quasipartículas. Para os cientistas, a descoberta pode auxiliar em um avanço significativo na área da computação quântica.

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