Física – A recente descoberta do Sóliton

Recentemente “descobertos”, os Sólitons são partículas elementares que, além de ondas solitárias”, são partículas complexas.

soliton01Há várias gerações os estudantes aprendem o que é um Átomo, a partir do conhecido modelo de Bohr: um núcleo e uma série de Elétrons circulando ao seu redor, em órbitas bem estabelecidas. Apesar dos avanços imensos da mecânica quântica, o modelo ainda é válido para o ensino nas séries iniciais e intermediárias.

E, esse avanço não se interrompe no entendimento das “partículas elementares”. Depois da recente descoberta dos Sólitons, agora os cientistas confirmaram que, além de pulsos que não perdem energia facilmente, os mesmos são também partículas puntiformes. São um universo à parte na física de partículas quânticas, possuindo uma intrincada estrutura interna.

Ju Li FísicoParece um contrassenso falar em “estrutura interna de uma onda”, mas, a dualidade partícula-onda, um dos “mistérios” do mundo quântico, tem se mostrado uma fonte inesgotável de boas surpresas para os cientistas. A literatura recente se referia aos Sólitons como ondas, agora, porém, com a descoberta feita pela equipe do Dr. Ju Li, (foto ao lado) da Universidade de Ohio, Estados Unidos, eles também passaram a ser analisados como partículas.

Sólitons

O nome Sóliton nasceu a partir da expressão em inglês “solitary wave” (onda solitária), um fenômeno aquático observado inicialmente em 1834, pelo engenheiro construtor de navios John Scott Russell (1808-1882), ocorrida em um canal artificial – Canal da União -, na Escócia, que possuía características diferentes das ondas normais, por não se desfazer, não ampliar e não reduzir suas dimensões e força (energia), mantendo-as uniformemente por todo o longo trajeto do canal. Seu observador a estudou e reproduziu artificialmente, utilizando os resultados obtidos na construção de navios mais eficientes que os existentes na época, no avanço sobre o volume d’água.

Hoje, na física, Sólitons são pulsos “isolados” que não perdem facilmente sua energia, e tampouco seu formato. Para comparação; um pulso de luz (Fótons), que é uma onda com “picos” e “vales”, tende a perder força quando transmitido ao longo de uma fibra óptica. É como se, depois de ter percorrido um pequeno trecho, a onda de luz começasse a “ficar achatada”, até desaparecer. Isso não acontece com os Sólitons.

Embora os cientistas frequentemente tratem e utilizem as partículas também como ondas, os Elétrons por exemplo, os Sólitons são diferentes; ondas eletrônicas se espalham e perdem força no espaço e no tempo, o que não acontece com os Sólitons.

É como se você fizesse uma onda na água; ‘ela rapidamente se espalha e desaparece’, explica Li. “Mas, um Sóliton é um tipo estranho de objeto; a partir do momento em que ele é ‘construído’, mantém suas características por longo tempo.”

O mundo do Elétron

soliton01Acostumados com a natureza singular do Elétron, que, no modelo de Bohr, opera como uma partícula elementar ao redor de um núcleo, os estudantes poderão estranhar a afirmação de que o próprio Elétron seja agora reconhecido como “um universo à parte“, tendo suas próprias partículas “acessórias”.

O Dr. Li descobriu que cada Sóliton é, na verdade, um Elétron circundado por outras partículas, identificadas como Fónons. Da mesma forma que um Fóton é uma partícula de luz, um Fónon é uma partícula de Energia Vibracional.

A descoberta também sugere que o Elétron no interior de um Sóliton pode alcançar diferentes estados de energia, da mesma forma que um Elétron no interior de um átomo de hidrogênio.

Embora todos saibamos que essas estruturas eletrônicas internas existem em todos os átomos, esta é a primeira vez que alguém demonstra que tais estruturas existem em um Sóliton.” diz Li.

As propriedades quânticas dos Sólitons – incluindo os recém-descobertos Estados de Energia – são muito importantes, porque afetam o modo como a partícula carrega uma carga elétrica ao longo de materiais orgânicos em nível molecular, como nos polímeros condutores.

Músculos Artificiais é a identificação da capacidade do transporte de cargas elétricas ao longo de polímeros orgânicos, que abriram a possibilidade de construção de similares Músculos Artificiais, agora baseados em Sólitons.

Em comparação com os Músculos Artificiais atualmente utilizados, os acionados por Sólitons poderão ser 1.000 vezes mais rápidos (imagine um computador mil vezes mais rápido que os atuais).

soliton02Como as cadeias de polímeros orgânicos (foto ao lado) se curvam e dobram quando um Sóliton as atravessa, os cientistas logo imaginaram utilizar os Sólitons para alimentar os Músculos Artificiais. Esses “músculos” poderão movimentar robôs de última geraçãosubstituindo os grandes e pesados motores, e também ser a base para equipamentos de auxílio à mobilidade de pessoas portadoras de deficiências físicas, entre muitas outras utilidades.

Embora ainda não saibam explicar exatamente qual é o efeito exato dos Fónons sobre o comportamento dos Sólitons, os cientistas acreditam que o entendimento mais preciso dessa partícula-onda deverá permitir também que os Sólitons sejam utilizados em componentes eletrônicos, eletrônica molecular e instrumentos construídos com moléculas individuais.

Quando totalmente compreendidos, os Sólitons poderão também ser explorados para movimentar motores moleculares na nanotecnologia”, diz Li.

E, dada a natureza persistente dos Sólitonsque não perdem energia nem suas características – vários experimentos têm explorado a substituição de Ondas de Luz por Sólitons, para a transmissão de dados em fibras ópticas por longas distâncias. Os Sólitons dispensam os amplificadores de luz, hoje utilizados, tendo potencial para aumentar a eficiência e baratear o custo das comunicações ópticas.

“Estrelas”

Os Sólitons têm sido as “estrelas” de uma série de descobertas e avanços tecnológicos recentes. Além dos Músculos Artificiais, os Sólitons são a chave para pelo menos outras três descobertas nos últimos anos.

Em 2004, um grupo norte-americano descobriu que os Sólitons mantêm suas características mesmo quando viajando lentamente. Isso abriu o caminho para uma série de novas pesquisas em comunicações ópticas, explorando a facilidade de dirigir uma onda no interior de chips.

Em 2005, cientistas alemães criaram moléculas de luz a partir dos Sólitons, que poderão permitir a criação de comunicação digital ternária, utilizando três estados, em lugar dos dois bits da comunicação binária.

Também em 2005, um cientista iraniano criou um transístor Solitônico, que dispensa os Elétrons, funcionando com base nos Sólitons. Como estes se movimentam à velocidade da luz, componentes eletrônicos “Solitônicos” poderão ser incrivelmente mais rápidos do que os componentes eletrônicos atuais.

O texto utilizado com base para o artigo aqui produzido está disponível no Site Inovação Tecnológica, em:  http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110060710#.V0x0PzUrJdg

Paulo Dirceu Dias
paulodias@pdias.com.br
Sorocaba – SP