Pela primeira vez, um par de elétrons foi detectado habitando temporariamente estados orbitais mais altos que o normal. Embora o fenômeno tenha sido previsto pela física quântica há muito tempo, era quase impossível de ser observado. A realização pode permitir uma melhor compreensão da supercondutividade, melhorando, por sua vez, dispositivos supercondutores de alta temperatura.
Elétrons associados a átomos possuem múltiplos níveis de energia, conhecidos como orbitais. Energia extra fornecida por colisões com fótons pode fazer com que um elétron atinja um orbital maior, antes de decair novamente, liberando energia no processo. Uma das características da mecânica quântica é que, em sistemas de múltiplos elétrons, pares de elétrons às vezes saltam para orbitais maiores do que sua energia deveria permitir, classicamente.
Acredita-se que o fenômeno esteja relacionado à supercondutividade, onde a coerência de dois elétrons os mantém movendo-se interminavelmente através de materiais muito frios. Entretanto, observar isso seria difícil, não apenas pelo tamanho dos objetos em questão, mas porque é raro. O professor Anatoli Kheifets, da Universidade Nacional da Austrália, disse à IFLScience que em moléculas de hidrogênio, a qualquer momento, há 1% de probabilidade de que o par de elétrons esteja no primeiro orbital elevado, e uma chance ainda menor de estar em algum lugar maior. “Os cientistas nunca pensaram que poderiam observar um evento tão raro”, disse Kheifets em um comunicado.
A fim de capturar o processo em ação, Kheifets e outros cientistas irradiaram raios X em duas moléculas de átomos de hidrogênio, derrubando um dos elétrons do sistema. Como os elétrons ajudam a ligar as moléculas, a remoção de um elétron faz com que os dois átomos de hidrogênio se separem, deixando um átomo de hidrogênio, um próton e o elétron desativado. No entanto, como a equipe descreve no relatório na Nature Communications, o elétron removido e o que ainda faz parte de um átomo permanecem emaranhados, então qualquer coisa que aprendamos sobre um nos diz sobre o estado do outro.
Os autores então mediram a energia do elétron removido e os parâmetros orbitais do átomo sobrevivente, criando uma imagem clara (para os físicos quânticos) do estado dos elétrons quando no orbital superior.
Em um esforço para permitir que o resto do mundo entendesse o comportamento estranho, Kheifets fez uma analogia com um par de humanos ligados uns aos outros, mas ainda precisando de algum espaço. Ir a um orbital maior é como as férias para os elétrons. Custa energia, o equivalente subatômico do dinheiro. Dois elétrons simultaneamente em orbitais maiores são análogos aos casais que vão de férias ao mesmo tempo, mas em lugares diferentes para dar espaço um ao outro. Custa ainda mais, mas o quarto que cada um dá ao outro os ajuda a permanecer juntos pelo longo prazo.
