A maioria de nós encontra dificuldade em entender o mundo quântico: segundo o princípio da incerteza de Heisenberg, é como observar uma dança sem conseguir ver simultaneamente exatamente onde alguém está dançando e quão rapidamente está se movendo – você sempre deve escolher focar em um dos dois. No entanto, essa dança quântica está longe de ser caótica; os dançarinos seguem uma coreografia rígida. Nos moléculas, esse comportamento estranho tem outra consequência: mesmo que uma molécula deva estar completamente congelada a zero absoluto, ela nunca realmente para. Os átomos que a compõem realizam uma dança quieta constante e sem fim, impulsionada pela chamada energia do ponto zero.
Primeira medição direta do movimento zero-ponto correlacionado
Por muito tempo, esses movimentos zero-ponto padronizados foram considerados impossíveis de medir diretamente. No entanto, cientistas da Universidade Goethe de Frankfurt e instituições parceiras conseguiram fazer exatamente isso no maior laser de raios-X do mundo, o European XFEL em Hamburgo, Alemanha. Eles capturaram a “dança dos átomos” iluminando individualmente moléculas e tirando fotos de seus átomos – revelando a coreografia precisa de cada átomo.
O professor Till Jahnke, do Instituto de Física Nuclear da Universidade Goethe de Frankfurt e do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, explica: “O interessante em nosso trabalho é que conseguimos observar que os átomos não apenas vibram individualmente, mas que vibram de maneira acoplada, seguindo padrões fixos. Medimos diretamente esse comportamento pela primeira vez em moléculas médias que também estavam em seu estado de energia mais baixo. Esse movimento zero-ponto é um fenômeno puramente mecânico quântico que não pode ser explicado de forma clássica.” Em vez de coreografia, os físicos falam de modos vibracionais. Enquanto os padrões de movimento de moléculas com dois ou três átomos são relativamente fáceis de seguir, isso rapidamente se torna complexo com moléculas médias – como a iodopiridina estudada, que consiste em onze átomos. A iodopiridina apresenta um repertório de 27 modos vibracionais diferentes – do balé ao tango e à dança folclórica.
“Este experimento tem uma longa história”, diz Jahnke. “Coletamos os dados originalmente em 2019 durante uma campanha de medição liderada por Rebecca Boll no European XFEL, que tinha um objetivo completamente diferente. Só dois anos depois percebemos que na verdade estávamos vendo sinais de movimento zero-ponto. O avanço aconteceu através da colaboração com nossos colegas da física teórica do Center for Free-Electron Laser Science em Hamburgo. Benoît Richard e Ludger Inhester, em particular, desenvolveram novos métodos de análise que elevaram nossa interpretação dos dados a um nível inteiramente novo. Olhando para trás, muitas peças do quebra-cabeça tiveram que se encaixar perfeitamente.”
Explosão revela estrutura molecular
Mas como você pode capturar uma imagem de partículas dançantes? Usando uma técnica chamada Imagem de Explosão de Coulomb, as moléculas são induzidas a sofrer uma explosão controlada através de pulsos ultracurtos de raios-X de alta intensidade, permitindo a geração de imagens de alta resolução de sua estrutura. O pulso de raios-X remove muitos elétrons da molécula, fazendo com que os átomos – agora carregados positivamente – se repitam e se separem em uma fração de trilionésimos de segundo. Os fragmentos são registrados por um aparato especial que mede seu tempo e posição de impacto, permitindo a reconstrução da estrutura original da molécula. Este microscópio de reações COLTRIMS foi desenvolvido ao longo das últimas décadas pelo grupo de Física Atômica da Universidade Goethe. Uma versão adaptada especificamente para o European XFEL foi construída pelo Dr. Gregor Kastirke durante seu trabalho de doutorado. Ver o dispositivo em ação é algo especial, diz Kastirke: “Testemunhar resultados tão inovadores me faz sentir um pouco orgulhoso. Afinal, eles só são possíveis graças a anos de preparação e estreita colaboração.”
Novos insights sobre o mundo quântico
Os resultados fornecem insights totalmente novos sobre fenômenos quânticos. Pela primeira vez, os pesquisadores podem observar diretamente os padrões complexos de movimento zero-ponto em moléculas mais complexas. Essas descobertas demonstram o potencial do microscópio de reações COLTRIMS desenvolvido em Frankfurt. “Estamos constantemente aprimorando nosso método e já estamos planejando os próximos experimentos”, diz Jahnke. “Nosso objetivo é ir além da dança dos átomos e observar também a dança dos elétrons – uma coreografia que é significativamente mais rápida e também influenciada pelo movimento atômico. Com nosso aparato, podemos gradualmente criar verdadeiros curtas-metragens de processos moleculares – algo que antes era inimaginável.”
