Levitação quântica é demonstrada pela primeira vez

Agência Fapesp - 16/01/2009

Cientistas conseguem inverter pela primeira vez o efeito de Casimir, obtendo uma força repulsiva que poderá ter importantes aplicações na nanotecnologia.
[Imagem: Federico Capasso]

Atração vira repulsão. O resultado: levitação. Um trio de pesquisadores baseado nos Estados Unidos conseguiu obter, pela primeira vez, uma força quântica repulsiva. A descoberta poderá ser empregada em um grande número de aplicações nanotecnológicas.

O estudo, liderado por Federico Capasso, professor na Escola de Engenharia e Ciência Aplicada na Universidade Harvard, ganhou a capa da última edição da revista Nature (veja também Levitação quântica já havia sido prevista por pesquisadores brasileiros).

Força de Casimir

O feito de Capasso e equipe foi demonstrar que um inusitado efeito quântico, conhecido como força (ou efeito) de Casimir, pode se manifestar não apenas de forma atrativa, mas também repulsiva, o que traz importantes implicações para a física.

Em 1948, o físico holandês Hendrik Casimir (1909-2000) previu que duas placas condutoras perfeitas não carregadas eletricamente atrairiam uma a outra no vácuo, por conta das flutuações quânticas no campo eletromagnético no vácuo entre as placas. Desde então, a previsão foi verificada diversas vezes, mas sempre de forma atrativa.

Essa força se torna significativa quando o espaço entre duas superfícies metálicas, como o de dois espelhos um de frente para o outro, é menor do que 100 nanômetros. "[Nesse caso] Quando duas superfícies do mesmo material, como o ouro, são separadas por vácuo, ar ou um fluido, a força resultante é sempre de atração", disse Capasso.

Atrito danoso

A força atrativa de Casimir tem sido medida com grande precisão e tem sido aplicada no desenho de dispositivos mecânicos em escala nanométrica. Mas muitas vezes a natureza da força, ou seja, sua atração, tem levado a mais problemas do que soluções.

"Um dos problemas é que os componentes em um dispositivo nanométrico podem acabar grudados de modo irreversível. A necessidade de uma força de Casimir repulsiva deriva do potencial de resolver esse problema e também para fazer com que objetos levitem em fluidos, o que pode encontrar aplicações na nanotecnologia.

Força quântica repulsiva

Propostas para o desenho de metamateriais capazes de produzir tal força repulsiva têm sido feitas, mas sem sucesso", disse Steve Lamoreaux, do Departamento de Física da Universidade Yale, em comentário sobre a descoberta na mesma edição da revista.

Sem sucesso até agora. Capasso e colegas substituíram uma das superfícies metálicas imersas em um fluido por uma de sílica (dióxido de silício) e verificaram que a força entre elas mudou de atração para repulsão.

Para medir esta força de repulsão, os pesquisadores colocaram uma microesfera coberta de ouro em um cantiléver mecânico imerso em um líquido (bromobenzeno) e mediram seu desvio conforme variavam a distância até a placa de sílica.

Forças de Casimir repulsivas

"Forças de Casimir repulsivas são de grande interesse, uma vez que podem ser usadas em sensores de força ou de torque ultrassensíveis para levitar um objeto imerso em um fluido em distâncias nanométricas da superfície. Dessa forma, esses objetos se tornam livres para realizar movimentos de rotação ou de translação em relação a outros com o mínimo de fricção estática, pois suas superfícies nunca entram em contato direto", disse Capasso.

Forças de Casimir atrativas limitam a miniaturização de dispositivos conhecidos como MEMS (Micro Electromechanical Systems), usados nas mais diversas aplicações, como no acionamento de airbags em automóveis. O motivo é que a atração faz com que as partes de um mecanismo se grudem umas nas outras, tornando-as inoperantes. Com a repulsão, o mesmo não ocorreria.

Levitação quântica

Os autores do novo estudo apontam entre as aplicações potenciais da descoberta o desenvolvimento de peças nanométricas baseadas na levitação quântica para situações em que é necessária a fricção estática ultrabaixa entre peças mecânicas micro ou nanométricas. Especificamente, os pesquisadores destacam a fabricação de novos tipos de bússolas, acelerômetros e giroscópios, todos em escala nanométrica.

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