Ordem no caos: Experimento comprova existência de padrões ordenados no caos

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 11/12/2024

Ordem no caos

Cientistas descobriram que o caos não é exatamente caótico: Há uma ordem imersa em sistemas hoje descritos como caóticos, ou seja, desordenados.

Na verdade, Zhehao Ge e colegas da Universidade da Califórnia de Santa Cruz (EUA) demonstraram que há vários padrões ordenados imersos no caos.

Ge e seus colegas demonstraram um experimento que confirma uma teoria apresentada pela primeira vez há 40 anos, que afirma que elétrons confinados em um pequeno espaço podem se mover ao longo de caminhos comuns, em vez de produzirem uma confusão caótica de trajetórias.

Os elétrons apresentam propriedades tanto de partículas quanto de ondas. Eles não rolam simplesmente como uma bola; os elétrons comportam-se de maneiras muitas vezes contra-intuitivas e, sob certas condições, suas ondas podem interferir umas nas outras, tanto de modo construtivo, reforçando-se, quanto de modo destrutivo, atenuando-se.

Isto foi explicado pela primeira vez em um estudo teórico publicado em 1984 pelo físico Eric Heller, da Universidade de Harvard (EUA), que utilizou simulações de computador para revelar que os movimentos ondulatórios dos elétrons confinados podem passar por um processo de interferência construtiva, que os faz se concentrarem em órbitas comuns, onde passa a haver uma alta densidade de elétrons.

Os físicos chamam esses caminhos comuns de “órbitas fechadas únicas” ou, mais informalmente, “cicatrizes quânticas”.

“As cicatrizes quânticas não são uma curiosidade. Pelo contrário, são uma janela para o estranho mundo quântico,” disse Heller, que também é coautor deste novo trabalho experimental, que confirma sua teoria. “Cicatrizes são uma localização em torno de órbitas que retornam a si mesmas. Esses retornos não têm consequências de longo prazo em nosso mundo clássico normal – eles são logo esquecidos. Mas são lembrados para sempre no mundo quântico.”

E isso pode ter muitos efeitos práticos para as tecnologias quânticas.

Ilustração do experimento.
[Imagem: Zhehao Ge et al. – 10.1038/s41586-024-08190-6]

Cicatrizes quânticas

Encontrar a ordem no caos exigiu uma combinação intrincada de técnicas avançadas de imagem e um controle preciso sobre o comportamento dos elétrons, o que foi possível no grafeno, um material amplamente utilizado em pesquisas porque suas propriedades únicas e sua estrutura bidimensional o tornam ideal para observar efeitos quânticos.

No experimento, a finíssima ponta de um microscópio de tunelamento de varredura é inicialmente usada para criar uma armadilha para os elétrons; a seguir, a ponta paira perto da superfície do grafeno para detectar movimentos dos elétrons sem perturbá-los fisicamente.

Forçar os elétrons a seguirem as inusitadas órbitas fechadas dentro de um espaço confinado – a folha de grafeno – tem como vantagem principal o fato de que a propriedade da partícula subatômica é melhor preservada à medida que ela se move de um ponto a outro, garantindo medições mais precisas. E as observações registraram com precisão e com riqueza de detalhes todas as trajetórias não caóticas que emergem da interação entre os elétrons.

A equipe explica sua descoberta de modo mais intuitivo usando um modelo visual chamado de “bilhar” para ilustrar a mecânica clássica de sistemas lineares, e compará-los com os sistemas caóticos. Um bilhar é uma área delimitada que revela como as partículas internas se movem, e uma forma comum usada na física é chamada de “estádio”, onde as extremidades são curvas e as bordas retas. No caos clássico, uma partícula salta de forma aleatória e imprevisível, eventualmente cobrindo toda a superfície.

Neste experimento, a equipe criou um estádio de bilhar em grafeno, da espessura de um átomo, que mede cerca de 400 nanômetros de comprimento. Então, com o microscópio de varredura por tunelamento, eles foram capazes de observar o caos quântico em ação, finalmente vendo com seus próprios olhos o padrão das órbitas dos elétrons dentro do estádio de bilhar que criaram no laboratório.

Padrões das órbitas dos elétrons nos pontos críticos do grafeno, vistos pelo microscópio eletrônico.
[Imagem: Zhehao Ge et al. – 10.1038/s41586-024-08190-6]

Usos práticos

Com a teoria de Heller comprovada, os pesquisadores agora têm a base empírica necessária para explorar aplicações práticas.

Observar o fenômeno e, mais importante, saber como medi-lo, poderá ter vastas implicações para a eletrônica, revelando a possibilidade de que a informação codificada nas propriedades de um elétron seja transferida sem perdas, viabilizando, por exemplo, transistores altamente eficientes e de menor potência, o que significa um consumo menor de eletricidade.

“Um dos aspectos mais promissores desta descoberta é o seu uso potencial no processamento de informações,” disse o professor Jairo Velasco. “Ao perturbar ligeiramente ou ‘empurrar’ essas órbitas, os elétrons poderiam viajar de forma previsível através de um dispositivo, transportando informações de uma extremidade à outra.”

Os transistores atuais, já na escala nanoeletrônica, poderiam tornar-se ainda mais eficientes através da incorporação de projetos baseados em cicatrizes quânticas, melhorando dispositivos como computadores, celulares e tablets, que dependem de transistores densamente compactados para aumentar o poder de processamento.

“Para estudos futuros, planejamos desenvolver nossa visualização de cicatrizes quânticas para desenvolver métodos para aproveitar e manipular estados de cicatrizes,” disse Velasco. “O aproveitamento de fenômenos quânticos caóticos poderia permitir novos métodos para entrega seletiva e flexível de elétrons em nanoescala – assim, inovando novos modos de controle quântico.”

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