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em um recente Ciência No artigo, pesquisadores liderados por JILA e NIST Fellow Jun Ye, juntamente com os colaboradores JILA e NIST Fellow David Nesbitt, cientistas da Universidade de Nevada, Reno e da Universidade de Harvard, observaram uma nova quebra de ergodicidade em C60, uma molécula altamente simétrica composta de 60 átomos de carbono dispostos nos vértices de um padrão de “bola de futebol” (com 20 faces hexagonais e 12 faces pentágonas). Seus resultados revelaram quebra de ergodicidade nas rotações de C60. Notavelmente, eles descobriram que essa quebra de ergodicidade ocorre sem quebra de simetria e pode até ligar e desligar conforme a molécula gira cada vez mais rápido. Compreender a quebra de ergodicidade pode ajudar os cientistas a projetar materiais melhor otimizados para transferência de energia e calor.
Muitos sistemas cotidianos exibem “ergodicidade”, como calor se espalhando por uma frigideira e fumaça enchendo uma sala. Em outras palavras, matéria ou energia se espalha uniformemente ao longo do tempo para todas as partes do sistema, conforme permite a conservação de energia. Por outro lado, entender como os sistemas podem violar (ou “quebrar”) a ergodicidade, como ímãs ou supercondutores, ajuda os cientistas a entender e projetar outros estados exóticos da matéria.
Em muitos casos, a quebra de ergodicidade está ligada ao que os físicos chamam de “quebra de simetria”. Por exemplo, os momentos magnéticos internos dos átomos em um ímã apontam todos em uma direção, “para cima” ou “para baixo”. Apesar de possuírem a mesma energia, essas duas configurações distintas são separadas por uma barreira energética. A “quebra de simetria” refere-se ao sistema assumindo uma configuração com simetria menor do que as leis físicas que regem seu comportamento permitiriam, como todos os momentos magnéticos apontando “para baixo” como o estado padrão. Ao mesmo tempo, como o ímã se estabeleceu permanentemente em apenas uma das duas configurações de energia igual, ele também quebrou a ergodicidade.
Quebra de simetria: ímãs e bolas de futebol
Para entender a quebra de ergodicidade rotacional, o pesquisador de pós-doutorado e principal autor, Lee Liu, explicou: “Considere uma bola de futebol jogada em uma espiral apertada no sentido horário. configuração de 90 graus de baixa energia para uma de 180 graus! Isso exigiria a superação de uma barreira de energia. Portanto, uma bola de futebol em espiral mantém sua orientação de ponta a ponta em vôo livre, quebrando a ergodicidade e a simetria como um ímã faz.”
No entanto, ao contrário das bolas de futebol, as moléculas isoladas devem obedecer às regras da mecânica quântica. Especificamente, as duas extremidades de uma molécula de etileno (um análogo quântico de uma bola de futebol) são indistinguíveis. Assim, reorientar uma molécula de etileno girando 180 graus de ponta a ponta também envolve a superação de uma barreira de energia; os estados inicial e final são indistinguíveis. A molécula não tem duas orientações de ponta a ponta distintas para escolher, e a simetria e a ergodicidade são restauradas, o que significa que o estado fundamental da molécula é uma combinação, ou a superposição, dos estados final e inicial.
Espectroscopia infravermelha de C60
Para sondar a dinâmica rotacional da molécula C60, os pesquisadores recorreram a uma técnica pioneira do grupo Ye em 2016: combinar o resfriamento de gás tampão com espectroscopia infravermelha sensível de cavidade aprimorada. Usando essa técnica, os pesquisadores mediram o espectro infravermelho de C60 com sensibilidade 1.000 vezes maior do que a obtida anteriormente. Envolveu o brilho da luz do laser nas moléculas C60 e “ouvir” as frequências de luz que elas absorvem. “Assim como o som de um instrumento pode nos informar sobre suas propriedades físicas, as frequências de ressonância molecular, codificadas em seu espectro infravermelho, podem nos informar sobre a estrutura e a dinâmica de rotação da molécula”, disse Liu. Em vez de girar fisicamente a molécula cada vez mais rápido, os pesquisadores sondaram uma amostra em fase gasosa de muitas moléculas C60 nas quais algumas giravam rapidamente e outras lentamente. O espectro infravermelho resultante continha instantâneos da molécula em várias velocidades de rotação. “A junção desses traços gerou o espectro completo, desvendando o quadro completo da evolução (ou quebra) da ergodicidade da molécula”, elaborou Dina Rosenberg, pesquisadora de pós-doutorado do grupo de Ye.
Por meio desse processo, os pesquisadores descobriram um comportamento surpreendente do C60: girá-lo a 2,3 GHz (bilhões de rotações por segundo) o torna ergódico. Esta fase ergódica persiste até 3,2 GHz quando a molécula quebra a ergodicidade. À medida que a molécula gira mais rápido, ela volta a ser ergódica em 4,5 GHz. Esse comportamento peculiar de comutação surpreendeu os pesquisadores, pois as transições de ergodicidade normalmente ocorrem apenas quando a energia aumenta e em uma direção. Curiosa, a equipe mergulhou ainda mais no espectro para entender de onde esse comportamento se originou.
Quebra de ergodicidade — futebol quântico, frisbee e futebol
Ao analisar o espectro infravermelho, os pesquisadores puderam inferir deformações da molécula induzidas por sua rotação. Como Liu elaborou: “Assim como os pneus dos carros de arrancada incham mais quando girados em uma taxa mais rápida, a taxa de rotação do C60 dita sua deformação estrutural. Os espectros infravermelhos implicam que duas possibilidades ocorrem quando a taxa de rotação do C60 atinge 2,3 GHz: pode achatar para fora em forma de frisbee ou alongado em forma de bola de futebol. O primeiro ocorre se estiver girando em torno de um pentágono e o último se estiver girando em torno de um hexágono. Quando C60 atinge 3,2 GHz, as rotações hexagonais e pentagonais resultam em deformação semelhante à de uma bola de futebol . Em 4,5 GHz, a rotação hexagonal gera uma deformação semelhante a um frisbee, enquanto a rotação pentagonal gera uma deformação semelhante a uma bola de futebol.” Acontece que as peculiares transições de ergodicidade de C60 podem ser atribuídas inteiramente a essa sequência de deformações induzidas pela rotação da molécula.
Quebrando a ergodicidade, mas não a simetria
Na fase gasosa, as moléculas de C60 colidem tão raramente que se comportam como se estivessem isoladas, o que significa que a indistinguibilidade de cada átomo de carbono em C60 se torna importante. Portanto, girar a molécula sobre qualquer pentágono é equivalente a girá-la sobre qualquer outro pentágono. Da mesma forma, girar a molécula sobre qualquer hexágono é equivalente a girá-la sobre qualquer outro hexágono. Assim como no etileno, a indistinguibilidade quântica dos átomos de carbono do C60 restaura a simetria dos setores rotacionais pentagonais e hexagonais. No entanto, os dados dos pesquisadores mostraram que o eixo de rotação da molécula nunca mudou entre os setores.
Os dados mostraram duas razões para esse isolamento rotacional em torno de um único eixo. Em taxas de rotação abaixo de 3,2 e acima de 4,5 GHz, os setores rotacionais pentagonais e hexagonais são isolados devido à conservação de energia. “É preciso mais energia para girar uma bola de futebol do que um frisbee [due to its mass]”, disse Liu. Nessa faixa, as moléculas de C60 são ergódicas, pois os setores pentagonal e hexagonal exploram todos os estados possíveis em faixas de energia distintas, assim como no caso do etileno.
Em taxas de rotação entre 3,2 e 4,5 GHz, setores pentagonais e hexagonais existem na mesma faixa de energia. “Isso ocorre porque girar uma bola de futebol hexagonal e pentagonal pode consumir a mesma quantidade de energia”, disse Liu. “No entanto, o C60 ainda não consegue alternar entre os dois setores rotacionais por causa de uma barreira de energia – a mesma barreira que impede uma bola de futebol de virar de ponta a ponta no meio do vôo. Nesse regime, portanto, o C60 quebrou a ergodicidade sem quebrar simetria. Este mecanismo de quebra de ergodicidade sem quebra de simetria, que pode ser entendido simplesmente em termos de deformações de uma molécula em rotação, foi uma total surpresa para nós”, disse Liu. Esses resultados revelam um raro exemplo de quebra de ergodicidade sem quebra de simetria, fornecendo mais informações sobre a dinâmica quântica do sistema.
Como supõem os pesquisadores, muitas outras espécies moleculares aguardam investigação detalhada usando a nova técnica da equipe. “As moléculas provavelmente abrigarão muito mais surpresas e estamos ansiosos para descobri-las.”
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