Bolas de futebol, bolas de futebol e mecânica quântica: uma nova “versão” na quebra da ergodicidade

Oct 18, 2023

Pela Universidade do Colorado em Boulder, 21 de agosto de 2023

Os pesquisadores estudaram uma molécula C60, também chamada de buckyball, para entender como ela poderia quebrar a ergodicidade. Crédito: Steven Burrows/Jun Ye e David Nesbitt

Os cientistas observaram comportamentos únicos de quebra de ergodicidade nas rotações da molécula C60 sem quebrar a simetria usando espectroscopia infravermelha avançada. Esta descoberta oferece novos insights sobre a dinâmica do sistema quântico e promete mais investigações moleculares.

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 por 60 átomos de carbono dispostos nos vértices de um padrão de “bola de futebol” (com 20 faces hexagonais e 12 faces pentágonos). Seus resultados revelaram quebra de ergodicidade nas rotações do C60. Notavelmente, eles descobriram que essa quebra de ergodicidade ocorre sem quebra de simetria e pode até ligar e desligar à medida que a molécula gira cada vez mais rápido. Compreender a quebra da ergodicidade pode ajudar os cientistas a projetar materiais mais otimizados para transferência de energia e calor. O estudo foi publicado em 17 de agosto na revista Science.

Muitos sistemas comuns do dia a dia – como o calor que se espalha por uma frigideira e a fumaça que enche uma sala – exibem “ergodicidade”. Em outras palavras, a matéria ou energia se espalha uniformemente ao longo do tempo para todas as partes do sistema, conforme a conservação de energia permite. Por outro lado, compreender como os sistemas podem violar (ou “quebrar”) a ergodicidade, como os ímanes ou os supercondutores, ajuda os cientistas a compreender e projetar outros estados exóticos da matéria.

Em muitos casos, a quebra da ergodicidade está ligada ao que os físicos chamam de “quebra de simetria”. Por exemplo, todos os momentos magnéticos internos dos átomos em um ímã apontam em uma direção, seja “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 inferior à permitida pelas leis físicas que regem seu comportamento, 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.

Figura 1. A) Um ímã quebra a ergodicidade ao quebrar também a simetria. As duas configurações ferromagnéticas de energia igual, mas distintas (magnetização total M = +1 ou -1) são estabilizadas por uma barreira de energia. B) Uma bola de futebol girando quebra a ergodicidade ao quebrar também a simetria. O eixo θ representa a orientação angular (polar) da bola de futebol em relação ao vetor momento angular (seta verde), que é fixo. Um “X” distingue uma extremidade da bola de futebol, apesar de qualquer diferença mínima, até mesmo um único átomo. Crédito: JILA

Para entender a quebra da ergodicidade rotacional, o pesquisador de pós-doutorado e autor principal, Lee Liu, explicou: “Considere uma bola de futebol lançada em uma espiral apertada no sentido horário. Você nunca veria a bola de futebol girar espontaneamente 180 graus em pleno vôo, passando de uma configuração de baixa energia de 90 graus para uma configuração de 180 graus! Isto é mostrado nas figuras 1B e 1C. Isso exigiria a superação de uma barreira energética. Assim, uma bola de futebol em espiral mantém a sua orientação de ponta a ponta em voo livre, quebrando a ergodicidade e a simetria como um íman 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 (figura 1C). Assim, reorientar uma molécula de etileno girando 180 graus de ponta a ponta também implica superar uma barreira de energia; os estados inicial e final são indistinguíveis. A molécula não tem duas orientações 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.