A força de van der Waals entre átomos, moléculas e superfícies faz parte da vida cotidiana de vários modos diferentes. Aranhas e lagartixas contam com essa força para escalarem paredes lisas, por exemplo; e essa força faz com que proteínas em nosso corpo se dobrem em formas complexas.
O nome dessa força foi dado em homenagem ao físico holandês Johannes Diderik van der Waals (1837-1923), que a propôs, em 1873, para explicar o comportamento de gases. Essa é uma força muito fraca, a qual se torna relevante somente quando átomos e moléculas estão muito próximos entre si. Flutuações na nuvem eletrônica de um átomo acarretam em um momento de dipolo instantâneo. Isso pode induzir um momento de dipolo em um átomo próximo, resultando em uma interação dipolo-dipolo atrativa.
Várias medidas indiretas da força de van der Waals já haviam sido realizadas antes. Segundo Thierry Lahaye, integrante da equipe e co-autor do artigo, “o que foi feito agora, pela primeira vez, até onde sabemos, foi medir diretamente a interação de van der Waals entre dois átomos que foram posicionados em uma distância controlada, escolhida pelo cientista”.
Controlar a distância entre átomos normais, enquanto se mede a força entre eles, é extremamente difícil, porque as distâncias que importam são muito pequenas. Para contornar esse problema, a equipe usou átomos de Rydberg, os quais são muito maiores que os átomos normais. Tais átomos possuem um elétron em um estado altamente excitado. Isso significa que eles têm um momento de dipolo muito grande e, portanto, devem ter interações de van der Waals muito fortes em distâncias relativamente grandes. Átomos de Rydberg também possuem propriedades únicas que permitem serem controlados com grande precisão no laboratório.
O experimento começa com dois átomos de rubídio presos em dois feixes de laser firmemente focalizados, separados por alguns micrômetros. Então, uma luz (de laser) com um comprimento de onda específico incide sobre os átomos, o que faz com que o sistema oscile entre o estado fundamental e um ou dois estados de Rydberg (átomos de Rydberg). A equipe verificou que, quando as condições são corretas, o sistema oscila entre o estado fundamental e um par de átomos de Rydberg, cada qual em um dos focos do laser. Medindo essas oscilações, a equipe calculou a força de van de Waals entre os dois átomos de Rydberg.
No experimento de Béguin e colaboradores, dois átomos são aprisionados nos focos de dois feixes de laser separados por uma distância R. |
Ajustando o feixe de laser que aprisiona os átomos, os pesquisadores podem aproximar ou afastar os átomos de Rydberg. Enquanto variam a distância R entre os átomos, a força varia com 1/R6, exatamente como esperado para a força de van der Waals. Além disso, a equipe também foi capaz de mostrar que a evolução quântica do estado de dos dois átomos de Rydberg interagentes era completamente coerente, “algo nunca visto na física atômica”, afirmou Antoine Browaeys, integrante da equipe.
Essa evolução coerente de dois átomos interagentes é idêntica àquela de uma porta lógica quântica operando com dois bits quânticos (qubits). Browaeys acredita que dois átomos interagindo via interações Rydberg-van der Waals poderia ser um sistema promissor para criar portas quânticas de alta fidelidade. “Isso nos deixa mais próximos de um computador quântico”, diz Browaeys.
Na verdade, a importância de seus experimentos, em longo prazo, não é a medida da força por si só, mas sim o alto grau de controle dos átomos de Rydberg que eles conseguiram atingir. “Isso nos permitirá construir pequenos sistemas quânticos de tamanho crescente, a partir de dois átomos até algumas dezenas de átomos de Rydberg, sobre os quais teríamos total controle das interações”, explica Lahaye. Tais sistemas poderiam ser utilizados em processamento de informação quântica ou na simulação quântica de sistemas da matéria condensada.(Fontes: http://phys.org/news/2013-07-van-der-waals.html, http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jul/04/atomic-van-der-waals-force-measured-for-the-first-time, http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i26/e263201)
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