A Primeira Imagem da Estrutura Orbital de um Átomo de Hidrogênio

Os experimentos fornecem uma validação de previsões teóricas que têm sido feitas nas últimas três décadas.

O que você está olhando é a primeira observação direta de elétrons de um átomo orbital — real função de onda de um átomo! Para capturar a imagem, pesquisadores utilizaram um novo microscópio quântico — um incrível novo aparelho que literalmente permite aos cientistas olhar para o mundo quântico.

Uma estrutura orbital é o espaço em um átomo que é ocupado por um elétron. Mas ao descrever essas propriedades super-microscópicas da matéria, os cientistas tiveram que contar com funções de onda — uma forma matemática de descrever os Estados Quânticos difusos de partículas, saber como eles se comportam no espaço e no tempo. Normalmente, os físicos quânticos usam fórmulas como a equação de Schrödinger para descrever estes estados, muitas vezes chegando com números complexos e gráficos extravagantes.

Até este ponto, os cientistas nunca conseguiram realmente observar a função de onda. Tentando pegar um vislumbre de posição exata de um átomo ou a dinâmica de seu elétron solitário foi como tentar apanhar um enxame de moscas com uma mão; observações diretas têm essa forma desagradável de perturbar a coerência quântica. O que foi necessário para capturar um completo estado quântico é uma ferramenta que pode estatisticamente médio de várias medições ao longo do tempo.

Mas como ampliar os estados microscópicos de uma partícula quântica?
A resposta, de acordo com uma equipe de pesquisadores internacionais, é o microscópio quântico — um dispositivo que utiliza microscopia de ionização para visualizar as estruturas atômicas diretamente.

Escrita em letras de avaliação física, Aneta Stodolna do Instituto FOM atômico e Molecular de física (AMOLF) nos Países Baixos descreve como ela e sua equipe mapeada a estrutura nodal de um orbital eletrônico de um átomo de hidrogênio, colocado em um campo elétrico de estática (dc).

Depois de ionizar o átomo com pulsos de laser, elétrons ionizados escaparam e seguiram uma trajetória particular para um detector de 2D (um detector de placa [MCP] dual microchannel colocado perpendicular ao campo propriamente dito). Existem muitas trajetórias que podem ser tomadas por elétrons para chegar ao mesmo ponto no detector, propiciando os pesquisadores com um conjunto de padrões de interferência — padrões que reflete a estrutura nodal da função de onda.

E os pesquisadores conseguiram fazê-lo usando uma lente eletrostática que ampliada a onda de elétrons a saída de mais de 20.000 vezes.

Créditos da Imagem: APS / Alan Stonebraker.

Você pode ler todo o estudo na revista Physical Review Letters: “Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States.”

Por : Juliana Limeira