Eletrônica

Sólitons, além de ondas, são partículas complexas

Descoberta mostra que sólitons

Partículas elementares

Há 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 primeiras séries.

E esse avanço no entendimento das "partículas elementares" não pára. Agora, cientistas descobriram que os sólitons - até hoje considerados como pulsos de energia que não perdem energia facilmente - também são um universo à parte, possuindo um estrutura interna intrincada.

Parece um contra-senso 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 surpresas para os cientistas. A literatura sempre se referiu aos sólitons como ondas; agora, porém, com a descoberta feita pela equipe do Dr. Ju Li, da Universidade de Ohio, Estados Unidos, eles também passarão a ser analisados como partículas.

Sólitons

Sólitons são pulsos que não perdem facilmente energia e nem o seu formato. Para comparação, um pulso de luz - uma onda com picos e vales - quando transmitido ao longo de uma fibra óptica, tende a perder força. É como se, depois de ter percorrido um pequeno trecho, a onda de luz começasse a "ficar achatada", até desaparecer.

O nome sóliton nasceu a partir da expressão em inglês "solitary wave" - onda solitária. Embora os cientistas freqüentemente tratem partículas - elétrons, por exemplo - como ondas, os sólitons são diferentes. Ondas eletrônicas se espalham e perdem força 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, ele mantém suas características por um longo tempo."

O mundo do elétron

Acostumados 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 que o próprio elétron seja 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, chamadas 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 esses recém-descobertos estados de energia - são importantes porque eles afetam como a partícula carrega uma carga elétrica ao longo de materiais orgânicos, como polímeros condutores, em nível molecular.

Músculos artificiais

Sólitons

É a capacidade de transportar cargas elétricas ao longo de polímeros orgânicos que abriu a possibilidade de construção de músculos artificiais baseados em sólitons.

Ao contrários dos músculos artificiais atuais, os músculos artificiais acionados por sólitons poderão ser 1.000 vezes mais rápidos que os músculos humanos.

Como as cadeias de polímeros orgânicos (foto) se curvam e dobram quando um sóliton as atravessa, os cientistas logo imaginaram utilizar os sólitons para alimentar músculos artificiais. Esses músculos poderão tanto movimentar robôs de última geração - substituindo os grandes e pesados motores - quanto ser a base para equipamentos de auxílio à mobilidade de pessoas portadoras de deficiências físicas.

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 na eletrônica molecular - componentes eletrônicas 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 sólitons - não perdendo 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 o potencial para 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 dois 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 se 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, ao invés dos dois bits da comunicação binária.

Um cientista iraniano, também em 2005, 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.

Bibliografia:

Multiple self-localized electronic states in trans-polyacetylene
Xi Lin, Ju Li, Clemens J. Först, Sidney Yip
Proceedings of the National Academy of Sciences
June 13, 2006
Vol.: vol. 103 - no. 24 - 8943-8946
DOI: 10.1073/pnas.0601314103




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