Mais frio e ainda mais frio
Os íons no centro do conjunto são resfriados às temperaturas mais baixas possíveis, e podem então ser acelerados no mecanismo de captura de feixes de íons
Ao investigarem os átomos, os cientistas se deparam com um desafio: À temperatura ambiente, átomos individuais em um gás carregam energia cinética e voam para todos os lados a uma alta velocidade. A temperatura é, em essência, o movimento relativo entre os átomos; desta forma a meta de manter os átomos a baixas velocidades envolve seu congelamento a temperaturas extremamente baixas. Um grupo de cientistas do Instituto Weizmann de Ciências desenvolveu recentemente um método universal de resfriamento de íons.
Íons, átomos com carga elétrica, são resfriados atualmente em mecanismos de captura, utilizando campos elétricos e magnéticos, seguidos de resfriamento a laser. O novo método, desenvolvido pelos Dr. Oded Heber e Dr. Michael Rappaport, e seus colegas de pós-doutorado Dr. Reetesh Kumar Gangwar e Dr. Koushik Saha, no laboratório do Prof. Daniel Zajfman do Departamento de Astrofísica de Física de Partículas do Instituto Weizmann de Ciências, não requer o uso de raios laser.
No passado, o Prof. Zajfman e sua equipe criaram uma versão melhorada de um mecanismo de captura de íons chamado armadilha eletrostática de feixes de íons – um dispositivo de armazenamento de íons muito menor do que os anéis padrão de armazenamento de íons, que tendem a ser muito grandes e dispendiosos. Em uma armadilha eletrostática, as moléculas iônicas oscilam à medida que voam a velocidades de até 10.000 km/h – e se resfriam internamente na armadilha. Sistemas como esse podem recriar em um laboratório a matéria dispersa que existe no espaço interestelar.
Quando grupos de íons oscilam no interior da armadilha a altas velocidades, há uma distribuição natural de frequências. Nessa etapa, os cientistas dispõem de um método para aplicar a “tensão de impulso variável periódica” para separar os íons mais frios nessa distribuição, acelerando somente esses íons. Ao aplicar tensões continuamente, os pesquisadores podem acabar separando os íons mais frios. “Esse processo” – disse Heber – “não envolve tanto o resfriamento como uma ‘filtragem’ ou seleção de íons conforme a temperatura que atingem”.
Em experimentos recentes, entretanto, o grupo regulou a armadilha de forma que a densidade dos íons no mecanismo de captura de feixes de íons pudesse ser aumentada 1.000 vezes nas bordas. O aumento da densidade naturalmente aumenta também a incidência de colisões entre os íons no feixe, e o resultado é o compartilhamento de energia entre os íons.
Os cientistas descobriram que havia uma correlação aperfeiçoada entre a posição de um íon dentro do grupo e o seu nível de energia cinética. Os íons mais frios ficavam no centro. Na verdade, a energia – ou a temperatura – era transferida para os íons nas bordas, produzindo íons mais gelados no aglomerado mais acelerado. “Esse processo surpreendente” – disse Heber – “já ultrapassa o teste de resfriamento genuíno”.
Em um artigo publicado recentemente na revista Physical Review Letters, o grupo descreve uma série de experimentos em que os íons alcançaram temperaturas de cerca de um décimo de grau acima do zero absoluto. Os pesquisadores estão conduzindo experimentos adicionais, no momento, para refinar o sistema e obter temperaturas iônicas ainda mais baixas.
Heber disse que o novo método é significativo, uma vez que o processo de resfriamento não depende do tipo ou do peso dos íons. Desta forma ele pode ser utilizado, por exemplo, para investigar as propriedades de moléculas biológicas de grande porte ou de nanopartículas.
A pesquisa do Prof. Daniel Zajfman tem o apoio do Comisaroff Family Trust. O Prof. Zajfman é o titular da cadeira professoral de astrofísica Simon Weinstock.
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