4. Novos estados da matéria.
Autor: Newton Burmeister | Publicado: 2010-02-21T13:18:00-08:00

Usualmente conhecemos três estados da matéria: Sólido, Líquido e Gasoso. Entretanto ao longo das pesquisas da física quântica foram descobertos e comprovados mais dois estados, e um está em pesquisa. Vamos agora conhecer estes estados:

4.1 Plasma - o 4º estado da matéria.

99% do Universo visível conhecido estão em estado de plasma, sendo que o 1% restante é constituído de todos os outros estados de agregação da matéria, dentre eles o sólido, líquido e gasoso.

Como exemplos do plasma, podemos citar:
• galáxias e nebulosas que contém gás e poeira cósmica interestelar, em estado eletrificado, ou ionizado; 
• o vento solar ou fluido ionizado, constantemente ejetado pelo sol; 
• plasmas gerados e confinados pelos Cinturões de Radiação de Van Allen, nas imediações do planeta Terra; 
• a ionosfera terrestre, que possibilita as comunicações via rádio;
• as auroras Austral e Boreal, que são plasmas naturais e ocorrem nas altas latitudes da Terra, resultantes da luminescência visível resultante da excitação de átomos e moléculas da atmosfera, quando bombardeados por partículas carregadas expelidas do Sol e defletidas pelo campo geomagnético; 
• as lâmpadas fluorescentes; 
• as descargas atmosféricas (raios), que não passam de descargas elétricas de alta corrente (dezenas a centenas de quiloamperes) que ocorrem na atmosfera com uma extensão usual de alguns quilômetros.

Os plasmas são gerados principalmente através de vários processos de ionização. Quando aquecemos um gás ou o atingimos com descargas elétricas, as colisões entre os elétrons e os átomos neutros podem gerar este estado ionizado.

Atualmente, no entanto, a ionização também se concretiza por outros métodos, de natureza radiativa. Na fotoionização, a ionização ocorre pela interação entre fótons e os átomos de um gás, ou seja, o átomo absorve energia através de ondas eletromagnéticas, como a radiação ultravioleta ou infravermelha.

A eficiência na fotoionização está relacionada com a secção de choque do átomo e também ao comprimento de onda da radiação luminosa incidente (quanto menor o comprimento, maior a energia).

Dentre as características do plasma, a mais importante é a tendência que esse estado tem de permanecer eletricamente neutro, equilibrando sua carga elétrica negativa e positiva em cada porção de volume de matéria. Caso ocorra um desequilíbrio entre as densidades de cargas, estas dão lugar a forças eletrostáticas que, pela alta condutividade elétrica, atuam rapidamente de modo a restaurar o estado inicial de neutralidade.

O plasma emite luz sempre que entra em contato com alguma excitação elétrica e campos magnéticos. As auroras polares são um exemplo típico deste fenômeno. Também pode ser vista nas descargas atmosféricas da ionosfera.

A área geral do estudo de Plasma, onde as interações dos gases ionizados com campos elétricos são dependentes do tempo, denomina-se dinâmica do plasma

Irving Langmuir , premio Nobel de Quimica em 1932, foi quem introduziu pela primeira vez o termo plasma..

Esta mudança de estado físico acontece da seguinte forma: ao transferirmos energia em nível atômico (calor, por exemplo) a um corpo de massa sólida, este aumenta sua temperatura até o ponto de fusão, tornando sua massa líquida; se transferirmos ainda mais energia, este atingirá a temperatura de ebulição e sua massa tornar-se-á gasosa, ainda se aumentarmos a energia transferida ao gás a altíssimas temperaturas, obteremos o plasma. Sendo assim, se colocarmos os estados físicos da matéria em ordem crescente, conforme a quantidade de energia que possui, teremos:

Sólido&lt;&lt; Líquido &lt;&lt; Gasoso&lt;&lt; Plasma
O plasma sustenta uma ampla variedade de ondas dos mais diversos tipos, como ondas eletromagnéticas e ondas eletrostáticas, por exemplo. Os diversos modos de oscilação possíveis em um plasma compreendem ondas eletrostáticas, eletromagnéticas e magnetohidrodinâmicas, associadas a variações de pressão e densidade em plasmas magnetizados.

4.2 Condensado Bose Einstein - O 5º estado da matéria.

O Condensado de Bose-Einstein é uma fase da matéria formada por partículas (bosons) a uma temperatura muito próxima do zero absoluto ( 0ºK = -273ºC) . Nestas condições, uma grande fração de átomos atinge o mais baixo estado quântico, e nestas condições os efeitos quânticos podem ser observados à escala macroscópica. A existência deste estado da matéria como consequência da mecânica quântica foi inicialmente prevista por Albert Einstein em 1925, no seguimento do trabalho efectuado por Satyendra Nath Bose ( daí o nome boson para a partícula). O primeiro condensado deste tipo foi produzido setenta anos mais tarde por Eric Cornell e Carl Wieman em 1995, na Universidade de Colorado em Boulder, usando um gás de átomos de rubídio arrefecido a 170 nanokelvins (nK) (= 0,000000170ºK)

Tão importante quanto esta conquista foram as estrategias laboratoriais da metodologia aplicada. Para conseguir atingir esta temperatura, os cientistas usaram um sistema de bombardeio dos átomos com luz laser, coerente e monofrequencial, que é um fluxo de fótons. Uma analogia macroscopica desta técnica, seria comparar um átomo a uma bola de boliche e os fótons da luz laser a bolas de ping-pong. Da mesma forma que você pode empurrar uma bola de boliche se você colocar um fluxo adequado de bolinhas de ping-pong sobre ela, você pode empurrar átomos com um fluxo de luz laser sobre eles. 

Quando os fótons estão impactando o átomo, o elétron no átomo está absorvendo o fóton e saltando para um nível superior, e então ele rapidamente salta de volta e libera o fóton de volta. Cada tipo de átomo responde unicamente a uma cor exata. Uma boa parcela da dificuldade em fazer o trabalho de resfriamento a laser foi ter a quantidade de luz na cor exata. Para isto foi preciso lasers para os quais se pudesse ajustar a cor de forma muito precisa para adequar a cor que o átomo queria. Se a cor estava errada os fótons passavam direto através dos átomos, e era difícil achar a cor certa. Apenas as vibrações do chão de um edifício comum faziam a cor do laser mudar tanto que ela não se ajustava mais aos átomos de forma alguma. Os cientistas tiveram que trabalhar duro para fazer a luz laser ficar na cor adequada.

Desta tecnica surge uma pergunta: Como o frio é frio? Quando um objeto está quente, os átomos dentro dele estão se movendo rapidamente em direções aleatórias, e quando está frio, elas estão se movendo lentamente. Nosso corpo interpreta aquele movimento atômico aleatório no que nós sentimos como quente e frio, e um termômetro interpreta aquele movimento atômico como um certo número de graus. Em um grupo de átomos existe sempre uma gama completa de velocidades, mas enquanto a velocidade de um átomo muda, a media de todos eles não muda. Veja que a cada momento que um átomo desacelera, tem outro que acelera. Portanto a temperatura realmente descreve uma gama de velocidades de um grupo de átomos juntos.

Portanto a temperatura reflete o nível de atividade atômica.

A temperaturas muito baixas, uma grande porção de átomos subitamente cairiam no mais baixo nível de energia. Os átomos que se empilhariam no fundo é o que chamamos condensado Bose-Einstein(BE). “O que isto realmente significa” é uma pergunta que Einstein provavelmente faria, mas não fez. Ele não percebeu quão estranho um material poderia ser com todos os seus átomos em um nível como este. Isto significa que todos os átomos são absolutamente idênticos. Não existe nenhuma medição que possa diferenciá-los. A muito baixas temperaturas, a maior parte dos átomos esta no mesmo nível quântico.

Para fazer a experiência os cientistas tiveram que enfrentar diversas dificuldades. Para "aprisionar" os atomos eles tiveram que construir uma "armadilha magnética", no fundo da qual ficariam aos átomos que formariam o condensado BE .

Como se parece um condensado Bose-Einstein?

Ele parece com um pequeno torrão denso no fundo da armadilha magnética. Quando se forma o condensado ele ainda está envolvido pelos gases normais dos átomos, assim ele parece com um caroço dentro de uma cereja.


4.3 O sexto estado da matéria ?

Esta nova descoberta complementa a descoberta do condensado de Bose-Einstein, que é feitos de bósons, uma classe formada por partículas que são essencialmente gregárias: ao invés de se moverem sozinhas, elas adotam o movimento de suas vizinhas. 

Ao contrário dos bósons, os férmions - a outra metade da família de partículas e blocos básicos com os quais a matéria é construída - são essencialmente solitários. Por definição, nenhum férmion poderá estar exatamente no mesmo estado quântico que outro férmion. Conseqüentemente, para um físico, mesmo o termo "condensado fermiônico" é um paradoxo.

Por décadas, os físicos vêm propondo que a supercondutividade (que envolve férmions) e o condensado de Bose-Einstein estão intimamente relacionados. Eles propõem que o condensado de Bose-Einstein e a supercondutividade seriam dois extremos de um mesmo comportamento superfluídico, um estado incomum no qual a matéria não apresenta resistência ao fluxo. O hélio líquido superfluídico, por exemplo, quando colocado no centro de um compartimento aberto irá espontaneamente fluir para os dois lados do compartimento.

A temperatura na qual os metais e ligas se tornam supercondutores depende da intensidade da "interação emparelhada" entre seus elétrons. A temperatura mais alta que se conhece, e ainda há discussões a respeito, na qual ainda ocorre a supercondutividade é de -135º C.

Na experiência que os cientistas da JILA sob a coordenação da Dra Debora Jin agora fizeram, um gás com 500.000 átomos de potássio foi resfriado até 50 bilionésimos de grau acima do zero absoluto e então submetido a um campo magnético. Esse campo magnético fez com que os férmions se juntassem em pares, de forma semelhante aos pares de elétrons que produzem a supercondutividade, o fenômeno no qual a eletricidade flui sem resistência. A equipe da Dra. Jin detectou o emparelhamento e verificou a formação do condensado fermiônico pela primeira vez no dia 16 de dezembro de 2003.

São mencionados seis estados da matéria: sólido, líquido, gasoso, plasmático, BEC e condensado fermiônico. Os físicos debatem esse total. Seria possível acrescentar diversos outros estados, como os cristais líquidos, os vidros, os ferromagnetos, os paramagnetos e outros, à lista. Será que os condensados fermiônicos integram mesmo a lista dos estados da matéria? Ou seriam apenas uma subdivisão menos importante, como os cristais líquidos? A pergunta será respondida à medida que os pesquisadores aprenderem mais sobre as propriedades dos férmions coalescentes.