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As casas do espaço-tempo
Publicado 19 de mar de 2011
O espaço parece com um tabuleiro de xadrez?
Por Jennifer Marcus
A ilustração mostra os elétrons como se fosse uma esfera giratória com um momento angular positivo ou negativo (azul ou amarelo). No entanto, representações como esta são fundamentalmente enganosas, já que os indícios experimentais mostram que os elétrons são partículas puntuais, sem um raio finito ou estrutura interna que possa girar (em inglês "spin").
Crédito: Chris Regan/CNSI – UCLA.
Os físicos da UCLA se propuseram a projetar um transistor melhorado e acabaram por descobrir uma nova maneira de pensar sobre a estrutura do próprio espaço.
Normalmente se considera que o espaço é infinitamente divisível — dadas quaisquer duas posições, sempre existe uma posição intermediária. No entanto, em um recente estudo direcionado ao desenvolvimento de transistores ultra-rápidos com o emprego de grafeno, os pesquisadores do Departamento de Física e Astronomia da UCLA e do Instituto de NanoSistemas da California demonstraram que, dividindo-se o espaço em locais distintos, tal como em um tabuleiro de xadrez, se pode explicar como os elétrons puntuais que não tem um raio finito, conseguem exibir um momento angular intrínseco, conhecido como "spin."
Ao estudar as propriedades eletrônicas do grafeno, o professor Chris
Regan e o estudante de pós-graduação Matthew Mecklenburg descobriram que uma partícula pode adquirir spin por residir em um espaço com dois tipos de posições possíveis — tais como as casas brancas e pretas de um tabuleiro de xadrez. A partícula parece girar se as casas forem tão próximas que sua separação nem possa ser detectada.
"O spin de um elétron pode surgir do fato de que o espaço, em distâncias extremamente pequenas, pode não ser uniforme, porém segmentado, tal como um tabuleiro de xadrez", argumenta Regan.
Suas descobertas foram publicadas na edição de 18 de março de Physical Review Letters.
Em mecânica quântica, o "spin up" e o "spin down" se referem aos dois tipos de estado que podem ser atribuídos a um elétron. O fato de que o spin do elétron só pode assumir dois valores— não um, três ou uma quantidade infinita — ajuda a explicar a estabilidade da matéria, a natureza das ligações químicas e vários outros fenômenos fundamentais.
No entanto, não fica claro como o elétron consegue realizar o movimento rotatório indicado por seu spin. Se o elétron tivesse um raio, a resultante superfície teria que estar se movendo a uma velocidade superior à da luz, violando a teoria da relatividade. E as experiências demonstram que o elétron não possui um raio: acredita-se que ele seja uma partícula realmente puntual sem uma superfície ou uma infra-estrutura que pudesse girar.
Em 1928, o físico britânico Paul Dirac demonstrou que o spin do elétron é intimamente relacionado com a estrutura do espaço-tempo. Sua elegante argumentação combinava a mecânica quântica com a relatividade restrita, a teoria de espaço-tempo de Einstein (mais conhecida pela equação E=mc2).
A equação de Dirac, longe de apenas acomodar o spin, na verdade exige que ele exista. Porém, embora demonstre que uma mecânica quanto-relativística necessita do spin, a equação não fornece um quadro mecânico que explique como uma partícula sem dimensões pode ter momento angular, nem porque esse spin tem apenas dois valores possíveis.
Descobrindo um conceito que é a um só tempo novo e enganosamente simples,
Regan e Mecklenburg descobriram que o spin de dois valores pod surgir do fato de termos dois tipos de "casas" — claras e escuras — em um espaço tipo tabuleiro de xadrez. E eles chegaram a esse modelo de mecânica quântica enquanto trabalhavam no problema surpreendentemente prático de como fabricar transistores melhores com o novo material chamado grafeno.
O grafeno, uma simples folha de grafite, é uma camada de apenas um átomo de espessura de átomos de carbono dispostos em uma estrutura em forma de colméia. Isolado pela primeira vez em 2004 por Andre Geim e Kostya Novoselov, o grafeno tem diversas propriedades eletrônicas extraordinárias, tais como uma enorme mobilidade dos elétrons e capacidade de transportar correntes. Na verdade, essas propriedades guardam tantas promessas de avanços revolucionários que Geim e Novoselov receberam o Prêmio Nobel de 2010, meros seis anos após sua realização..
Regan e Mecklenburg fazem parte de um esforço da UCLA para o desenvolvimento de transistores ultra-rápidos que empregam esse material novo.
"Nós queríamos calcular a amplificação de um transistor de grafeno", explica Mecklenburg. "Nossa colaboração estava construindo eles e precisava saber o quão bem eles deveriam funcionar".
Esse cálculo envolvia compreender como a luz interage com os elétrons no grafeno..
Os elétrons no grafeno se movem saltando de átomo de carbono para átomo de carbono, como se pulassem de casa em casa em um tabuleiro de xadrez. As casas do tabuleiro do grafeno são triangulares, com as casas escuras apontando "up" e as claras "down". Quando um elétron no grafeno absorve um fóton, ele salta de uma casa clara para uma escura. Mecklenburg e Regan demonstraram que essa transição é o equivalente a rotacionar o spin de "up" para "down."
Em outras palavras, o confinamento dos elétrons no grafeno em posições específicas e diferenciadas no espaço lhes confere um spin. Este spin, que deriva da geometria especial do retículo em colméia do grafeno, se soma a e é diferente do spin que o elétron tem normalmente. No grafeno o spin adicional reflete a estrutura semelhante a um tabuleiro reticulado do espaço ocupado pelo elétron.
"Meu tutor [Regan] dedicou seu Ph.D.ao estudo da estrutura do elétron", conta Mecklenburg. "Por isso ele ficou muito entusiasmado de ver que o spin pode emergir de um retículo. Faz você pensar se o spin normal de um elétron pode ser gerado da mesma forma".
"Ainda não está claro se este trabalho será mais útil na física de partículas ou de matéria condensada", diz Regan, "mas seria muito estranho se o retículo do grafeno fosse o único capaz de gerar spin".
27 de março de 2011 às 12:56
Sempre tive problemas em visualizar o antigo conceito de spin!
27 de março de 2011 às 13:16
Então, se console!… Que partículas puntuais tem spin, se deduz dos efeitos que elas causam, onde esse momento angular aparece. Mas mesmo os físicos de altas energias não conseguem visualizar como algo sem dimensões pode "girar" de modo a ter um momento angular…