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Como este físico fotografou um átomo usando uma câmera comum

David Nadlinger, da Universidade de Oxford, recorreu à física quântica para flagrar a luz emitida por um único átomo de estrôncio em laboratório

     

    O pequeno ponto esbranquiçado, localizado bem ao centro da foto que você vê acima, representa um registro bastante raro: é assim que se parece um átomo do elemento químico estrôncio (Sr) visto a olho nu.

    A imagem é de autoria de David Nadlinger, físico da Universidade de Oxford, na Inglaterra. O interessante é que, para consegui-la, o pesquisador não precisou de microscopia eletrônica nem do recurso de zoom. Graças à física quântica e às configurações certas de fotografia, o retrato pôde ser feito pelas lentes de uma câmera profissional.

    Capturada em agosto do ano passado, a foto veio a público recentemente por ter levado o primeiro lugar de um concurso organizado pelo Conselho Britânico de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC, na sigla em inglês). Entre as mais de cem concorrentes, estavam outras cenas científicas pouco comuns, como os padrões de instabilidade de bolhas de sabão em uma pia de cozinha ou o treinamento de um robô para buscar detritos radioativos em Fukushima, no Japão, por exemplo.

    “A ideia de conseguir enxergar um único átomo a olho nu mostrou-se para mim uma ponte maravilhosa entre o minúsculo mundo quântico e nossa realidade macroscópica”, disse Nadlinger, em comunicado. “Quando fui para o laboratório com minha câmera e tripés em uma tarde tranquila de domingo, fui recompensado com o registro de meu próprio pequeno e ‘pálido ponto azul’”.

     

    Na imagem, o que é visível não são as bordas do átomo, mas sim a luz que a partícula emite quando “excitada”. Tal estado é capaz de criar uma aura brilhosa muitas vezes maior que o tamanho original do estrôncio.

    “Esse tamanho que você vê na imagem é fruto do que podemos chamar de aberração óptica”, disse o pesquisador, em entrevista ao site LiveScience. “As lentes que nos permitem ver o átomo não são perfeitas - deixando-o ligeiramente fora de foco e mais exposto à luz que o normal. Você pode perceber esse efeito ao olhar para as estrelas durante a noite. Apesar de brilhantes, são bem menores do que parecem, porque seus olhos (ou a câmera) não têm resolução suficiente para processar o tamanho correto”.

    Comparado a outros elementos da tabela periódica, o átomo de estrôncio é relativamente grande. Seu raio é de 2,15 nanômetros (nm), enquanto o de oxigênio, por exemplo, conta com 0,053 nm e o de carbono, 0,060 nm.

    Falar em nanômetros de tamanho, porém, ainda significa trabalhar com grandezas microscópicas. O brilho do átomo dificilmente seria percebido a olho nu e registrado por uma câmara convencional, não fossem os recursos complexos utilizados na sessão de fotos.

    Quais os fatores que permitiram o clique

    Para que um átomo seja ‘fotografável’, ele precisa ser, primeiro, capturado. A técnica utilizada para conter a partícula chama-se armadilha iônica.

    Íon é o nome dado a átomos que têm números desiguais de prótons e elétrons e, portanto, não estão estáveis. Há dois tipos de íons: ânions (eletrizados negativamente) e cátions (que têm carga positiva). Na situação, o estrôncio assume a forma de cátion.

    Para ganhar estabilidade, a partícula é levada para uma câmara de ultra-alto vácuo, máquina com pressão muitíssimo pequena (abaixo de 10-5 Pa). Lá dentro, o cátion de estrôncio é congelado até que fique com pouca excitação - ou seja, quase “parado” - e é cercado por quatro eletrodos de metal.

    Essas estruturas criam um campo elétrico, força invisível capaz de capturar partículas. Enquanto dois eletrodos cercam o íon pela esquerda e pela direita, como mostra a foto, outros dois (que não saíram na foto) garantem que ele fique fixo também na vertical.  A distância entre cada um dos eletrodos é de apenas dois milímetros.

    Uma vez imobilizado, o átomo é iluminado por lasers nas cores azul e violeta. Ele se torna visível porque consegue absorver e reemitir a luz do laser em forma de fótons, partículas que podem ser captadas pela câmera.

    A configuração da câmera, por fim, também foi totalmente modificada. O átomo de estrôncio foi captado por uma Canon 5D Mark II DSLR, câmera considerada profissional, mas longe de ter recursos para capturar um átomo por si só.

    Para conseguir o resultado, o físico utilizou lentes de 50 mm com foco 1.8 e dois flashes independentes (revestidos com filtros nas cores azul e violeta). As lentes foram equipadas com tubos de extensão, acessórios que aumentam a distância focal, utilizados para fotografias ultra detalhistas.

    A principal mudança, porém, foi quanto ao alto tempo de exposição, de 30 segundos. Esse fator faz com que o obturador do equipamento, que controla a passagem de luz, fique bastante tempo aberto, aumentando a quantidade de luz utilizada para fazer o registro.

    Assim, Nadlinger pôde mirar o equipamento através de uma janela da câmara de vácuo e flagrar o átomo. “Acho que as pessoas estão um tanto surpresas pelo tamanho que um átomo parece ter agora”. Espero que, com esta foto, não esteja indo contra cem anos de educação científica - átomos continuam sendo incrivelmente pequenos!”, disse o pesquisador.

    A técnica de ‘congelamento’ de átomos

    Apesar da qualidade e do pioneirismo do registro, Nadlinger não é o primeiro a usar uma abordagem parecida para flagrar a aparência de um átomo. Acredita-se que o primeiro registro tenha sido feito em 1977 por uma equipe de pesquisadores da Universidade de Hamburgo, que conseguiu isolar e analisar íons de bário (Ba).

    A técnica foi proposta pela primeira vez em 1975, pelo físico Hans Dehmelt, da Universidade de Washington. Por conta de sua contribuição, Dehmelt foi premiado com o Nobel de Física de 1989.

    O ato de congelar e expor íons a lasers, atualmente, serve no estudo de diversas aplicações da física quântica. Espera-se que, no futuro, o método possa ser empregado na confecção de bits quânticos, a serem utilizados na computação, ou relógios quânticos, com precisão milhares de vezes maior que a dos convencionais. 

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