A maioria de nós tem dificuldade em compreender o mundo quântico: De acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, é como observar uma dança sem conseguir ver simultaneamente exatamente onde alguém está dançando e quão rápido está se movendo – sempre é necessário escolher focar em um dos dois. E ainda assim, essa dança quântica está longe de ser caótica; os dançarinos seguem uma coreografia rigorosa. 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 constante e silenciosa, impulsionada pela chamada energia de 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, na Alemanha. Eles capturaram a “dança dos átomos” iluminando moléculas individuais 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 que é empolgante em nosso trabalho é que conseguimos ver que os átomos não vibram apenas individualmente, mas vibram de uma maneira acoplada, seguindo padrões fixos. Medimos diretamente esse comportamento pela primeira vez em moléculas médias que estavam também em seu estado de energia mais baixo. Este movimento zero-ponto é um fenômeno puramente mecânico quântico que não pode ser explicado classiamente.” 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, rapidamente se tornam complexos com moléculas de tamanho médio – como a iodopiridina estudada, que consiste em onze átomos. A iodopiridina apresenta um repertório inteiro de 27 modos vibracionais diferentes – desde balé até tango e dança folclórica.
“Este experimento tem uma longa história,” diz Jahnke. “Originalmente coletamos os dados em 2019 durante uma campanha de medição liderada por Rebecca Boll no European XFEL, que tinha um objetivo totalmente diferente. Somente dois anos depois percebemos que realmente estávamos vendo sinais de movimento zero-ponto. A grande descoberta ocorreu por meio da colaboração com nossos colegas da física teórica do Centro de Ciência do Laser de Eletrões Livres em Hamburgo. Benoît Richard e Ludger Inhester, em particular, desenvolveram novos métodos de análise que elevaram nossa interpretação dos dados a um novo patamar. Olhando para trás, muitas peças do quebra-cabeça tiveram que se encaixar perfeitamente.”
Explosão revela estrutura molecular
Mas como capturar uma imagem de partículas dançantes? Usando uma técnica chamada Imagem de Explosão de Coulomb, as moléculas são induzidas a passar por uma explosão controlada por pulsos de laser de raios X ultracurtos e de alta intensidade, permitindo gerar 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 repilam e voem para longe em uma fração de trilionésimo de segundo. Os fragmentos são registrados por um aparelho especial que mede o tempo e a posição de impacto, permitindo a reconstrução da estrutura original da molécula. Este microscópio de reação COLTRIMS foi desenvolvido ao longo das últimas décadas pelo grupo de Física Atômica da Universidade Goethe. Uma versão especificamente adaptada para o European XFEL foi construída pelo Dr. Gregor Kastirke durante seu doutorado. Ver o dispositivo em ação é algo especial, diz Kastirke: “Testemunhar resultados tão inovadores me faz sentir um pouco orgulhoso. Afinal, eles só surgem por meio de anos de preparação e trabalho em equipe próximo.”
Novas insights sobre o mundo quântico
Os resultados fornecem novos insights sobre fenômenos quânticos. Pela primeira vez, os pesquisadores podem observar diretamente os complexos padrões de movimento zero-ponto em moléculas mais complexas. Essas descobertas demonstram o potencial do microscópio de reação COLTRIMS, desenvolvido em Frankfurt. “Estamos constantemente aprimorando nosso método e já planejando os próximos experimentos,” diz Jahnke. “Nosso objetivo é ir além da dança dos átomos e observar, além disso, a dança dos elétrons – uma coreografia que é significativamente mais rápida e também influenciada pelo movimento atômico. Com nosso equipamento, podemos gradualmente criar verdadeiros curtas-metragens de processos moleculares – algo que antes era inimaginável.”