Tunelamento Quântico - Georgiy Gamov

imagine-se de frente para uma parede se você pega uma bola e joga contra essa parede ela simplesmente bate e volta isso porque a parede ela representa uma barreira que impede a passagem de partículas mas o que aconteceria se eu jogasse uma onda contra essa barreira até o momento nós discutimos bastante sobre a natureza das partículas quânticas mas na aula de hoje nós vamos falar de um fenômeno que somente essas partículas são capazes de realizar o chamado tunelamento quântico antes de entrarmos diretamente no assunto do tunelamento quântico vamos entender um pouco sobre propagação de energia isso

porque a propagação de energia está vinculada a ideia de onda e a ideia de onda vai ser importante para entender o tunelamento quântico Então vamos começar o nosso entendimento sobre a propagação de energia de uma maneira bem simples eu tenho uma mesa e nessa mesa eu tenho duas bolinhas uma amarela parada bem no centro da mesa e uma vermelha que vai ser lançada contra a bolinha amarela quando eu faço o lançamento da Vermelha contra a bolinha amarela o que eu posso observar é o seguinte a amarela ela se move porque a vermelha tendo energia de

movimento chamada energia cinética transfere essa energia ou parte dessa energia paraa amarela e assim a amarela tendo energia ela consegue se movimentar até aí não tem nada de muito estranho isso a gente aprende no primeiro ano do ensino médio lembre-se que no ensino médio Nós aprendemos que um objeto só pode se mover se ele tiver energia se ele não tiver energia e de repente Começar a se mover Isso significa que ele recebeu energia de algum lugar que no caso da nossa bolinha amarela ela recebeu energia da bolinha vermelha agora vamos refazer a nossa experiência com

uma pequena modificação nós vamos introduzir uma barreira de um lado da nossa barreira nós temos a bolinha amarela que vai est encostada na barreira e do outro lado nós continuamos com a bolinha vermelha que será lançada contra barreira e o que nós conseguimos observar é que a bolinha amarela se movimentou não se movimentou como antes mas ainda assim ela se movimentou isso significa que ela ganhou energia mesmo que a bolinha vermelha não tenha batido nela diretamente e a pergunta que fica é como que a nossa bolinha amarela conseguiu essa energia para entendermos perfeitamente como que

a nossa bolinha amarela conseguiu energia para se movimentar mesmo que a vermelha não tenha encostado nela nós vamos ter que voltar lá em uma das nossas primeiras aulas aula sobre o que é uma onda lá nós discutimos que onda basicamente é energia em movimento e o que a gente tem que saber sobre as ondas é que elas podem sim ser refletidas uma onda pode bater e voltar mas parte da energia da onda parte da onda ela consegue penetrar nos objetos ela consegue penetrar na nas barreiras e é exatamente isso que acontece a gente tem a

nossa bolinha vermelha que vem com uma energia cinética uma energia de movimento quando a nossa bolinha vermelha encontra a barreira essa colisão faz com que a bolinha vermelha transfire energia pra barreira e essa energia transferida pra barreira ela VM atravessando penetrando a barreira e a medida que ela atravessa a barreira e isso de certa forma faz com que ela vá perdendo a energia vai se perdendo Mas sempre chega um pouquinho de energia do outro lado é esse pouquinho de energia que chega do outro lado que a nossa bolinha amarela recebe e utiliza para se movimentar

vale a pena lembrar que é graças a essa Cap idade das ondas da energia de atravessar Barreiras que nós conseguíamos escutar alguém batendo na porta quando a pessoa Bate na Porta ela transfere energia pra porta essa energia consegue atravessar a espessura da porta e depois é transferida para o ar em forma de som que nós escutamos no interior da casa antes de dar o nosso próximo passo para entender o tunelamento quântico Vamos fazer um resumo do que acabamos de ver nós temos ondas e partículas quando uma partícula encontra uma barreira a sua passagem é impedida

a partícula conseguiria atravessar uma barreira desde que ela tivesse energia para se sobrepor a barreira o que não vai ser o caso no nosso exemplo nós estamos falando que a partícula não tem energia para se sobrepor a barreira então a partícula ela é impedida de passar Porém quando uma onda encontra uma barreira ela consegue passar não em sua totalidade mas uma pequena parte da onda da energia consegue atravessar então nós temos duas situações completamente diferentes partículas não passam ondas passam em pequena proporção é agora que as coisas vão ficar super interessantes e eu quero que

vocês me acompanhem nesse paralelo onde eu vou explicar o fenômeno e também relembrar a matemática Lembrando que a gente não está fazendo passo a passo cálculo matemático mas eu quero que vocês entendam o processo matemático por trás tá então considere agora a seguinte situação eu tenho uma barreira e ao invés de eu ter uma partícula ou uma onda e se eu tivesse uma onda partícula o que aconteceria quando a minha onda partícula encontrasse uma barreira antes da gente ter tentar entender isso vamos relembrar de como é feito esse estudo eu não vou pegar uma onda

partícula jogar contra uma barreira dentro de um laboratório não a gente tem equações que vão fazer essa descrição Ok e qual é a principal equação da física quântica a equação de shud dentro da equação de shud tem esse V nós já falamos dele nas aulas anteriores ele representa o potencial ele representa as barreiras se eu tiver tiver uma partícula quântica e não tiver nenhuma barreira a minha equação de sherg perde esse v e significa que minha partícula está livre para se mover mas no nosso caso nós temos uma barreira nós temos um potencial algo que

vai impedir a livre passagem da minha partícula quântica E aí é é introduzido ali o v que aí matematicamente pode ter várias fórmulas várias funções que pode entrar no lugar desse V certo Por que que eu tô falando isso porque a resolução da equação de shud vai nos dar o quê a função de onda Lembrando que a função de onda ela tem propriedades ela tem características ondulatórias O que significa que ela vai ter em sua essência o comportamento que uma onda teria e o que que a função de onda nos dá ela nos dá a

densidade de probabilidade e é agora que as coisas vão começar a fazer sentido para isso vamos pegar diretamente um exemplo prático imagina que eu pego uma partícula quântica pode ser um elétron e coloco ele dentro de uma caixa nós já usamos esse exemplo algumas vezes em aulas anteriores o que que vai acontecer com o nosso elétron ele tá livre para se movimentar dentro da caixa e eu posso usar a equação de shud para determinar como que vai ser o comportamento do nosso elétron dentro da caixa a equação de shod vai me retornar a função de

onda e a função de onda vai me dizer como que a probabilidade de encontrar o elétron se espalha ali no interior da Caixa certo errado não somente no interior da caixa aí é que tá o detalhe porque a gente tem que o elétron tá dentro da caixa logo ele não pode sair da Caixa já que eu não vou abrir Porém quando eu faço a o cálculo para determinar na função de onda o que eu percebo é o seguinte existe uma grande probabilidade de eu encontrar o elétron dentro da dentro da caixa isso é a função

de onda que vai me dizer mas a função de onda ela não se encerra nos limites da Caixa ela continua mesmo após a caixa e quando a gente vai observar melhor o que que acontece na extremidade da Caixa a função de onda diminui drasticamente porque é uma barreira Lembrando que as barreiras fazem com que a onda com que energia vá diminuindo porém sempre Resta um pouquinho que chega do outro lado o que que esse pouquinho representa ele representa a densidade de probabilidade eu vou falar assim ele representa que existe ainda sim uma probabilidade de eu

encontrar o elétron fora da Caixa mesmo que a caixa nunca tenha sido aberta ainda assim existe a probabilidade de eu encontrar aquele elétron que que estava dentro da Caixa existe uma probabilidade de encontrar ele do lado de fora uma coisa que tem que ficar Clara para que não haja confusão sobre o entendimento do tunelamento quântico no tunelamento quântico nós estamos assumindo que o elétron ele não tem energia para se sobrepor à barreira em outras palavras ele não furou a barreira ele não atravessou a barreira de da de uma maneira convencional o que a gente assume

que aconteceu é que ele usou de de características ondulatórias para conseguir passar por dentro da barreira sem quebrar a barreira sem afetar a barreira de certa forma então estamos assumindo que o elétron não teria a energia necessária para fazer o que ele fez ainda assim ele consegue atravessar E aí surge a ideia do tunelamento quântico que seria efeito Túnel é como se ele tivesse criado um túnel e atravessado a barreira como se ela não existisse e a pergunta que fica é por que que isso é estranho porque nós estamos falando de um objeto o elétron

muit das vezes é visto como uma partícula que é capaz de atravessar paredes Vamos colocar dessa maneira é como se ele fosse capaz de teleportar é como se ele fosse capaz de desaparecer de um lado e aparecer do outro isso é estranho mas essa estranhe ela vem ela surge pra gente porque nós estamos acostumado com os fenômenos associado a partículas nós estamos acostumados com os fenômenos Associados a ondas ninguém estranha o som atravessar uma parede o som atravessar uma porta isso a gente não estranha porém lá no mundo subatômico lá na física quântica essas coisas

começam a se misturar a partícula a onda vira uma onda partícula e quando há essa união os fenômenos que antes era só de um e antes era só do outro eles começam a misturar E aí a gente vê uma partícula capaz de teleportar isso é muito contraintuitivo nesse momento eu quero que você tenha um pouco de calma com relação ao fenômeno do tunelamento quântico a gente acaba ficando muito entusiasmado com a ideia porém a gente tem alguns probleminhas com relação ao tunelamento quântico que é o seguinte perceba que a maior parte da função de onda

ela se encontra dentro da caixa o que a gente tem é a probabilidade que por sinal é muito pequena de que o elétron seja encontrada seja encontrado fora da caixa que ele possa tunelar como a gente chama na física Porém na maioria das vezes a maior probabilidade está em a gente encontrar o elétron dentro da caixa uma coisa que eu acho bem interessante desse assunto é que algo que nós imaginamos Décadas atrás em filmes de ficção científica que é o teletransporte o teleporte ele de certa forma o trinamento quântico ele não é funcional não dá

pra gente pensar em teletransporte talvez não daqui a 100 anos não daqui a 200 anos Talvez seja até impossível mas mesmo que seja impossível é interessante a gente perceber que algo que a gente idealizou em filmes de ficção científica ele existe de uma certa maneira na natureza não da maneira que talvez seja útil pra gente mas o teleporte ele existe de certa maneira na natureza para finalizar vamos falar de três situações em que o tunelamento quântico é importante a primeira dela surge lá em 1920 junto com a ideia do tunelamento quântico aonde tínhamos um físico

chamado George gamov ele tava fazendo estudos sobre estruturas de átomo emissão de partículas física de partículas e basicamente o tunelamento quântico ele é importante para explicar alterações que acontecem em átomos radioativos e emissão de partículas E aí a gente não vai entrar muito nesse detalhe porque aí a gente vai entrar numa outra parte da física que não tem a ver muito com esse vídeo a o segundo exemplo é em processadores hoje um processador por exemplo processador E7 9 ele tem bilhões de de transistores bilhões de coisinhas Por onde passa a corrente elétrica Por onde passa

partículas quânticas e esses bilhões Estão próximos uns dos outros e pode acontecer de um elétron sair de um transistor para outro isso é indesejável isso não é uma coisa boa a gente quer que os elétrons estej passando tudo certinho ali para que o transistor consiga Executar a sua função Então na hora de construir um transistor é necessário levar em consideração efeitos por tunelamento quântico nesse caso do transistor não é que ele é favorável mas a gente precisa estudar ele para evitar efeitos de de tunelamento quântico e por fim existe um microscópio por tunelamento quântico quando

a gente vai estudar coisas muito mas muito mas muito pequena mesmo um microscópio convencional não tem e essa capacidade E aí surge um microscópio por tunelamento quântico é usando esse microscópio que a gente vai observar estruturas ali na ordem do tamanho de átomos corris quânticos é é uma coisa surreal Mas é uma tecnologia muito importante pra física moderna PR desenvolvimento de novas substâncias telas dobráveis cristais essas coisas tá então de certa forma por mais que não seja ele o telamento qu ele remete a ideia do teletransporte não a gente ainda não tá nisso tá longe

disso mas já tem sim alguma aplicabilidade nos dias de hoje ao longo do nosso curso nós exploramos muitos conceitos maravilhosos e estranhos como a dualidade onda partícula o gato de shod e agora nós estamos falando sobre fenômenos o fenômeno do tunelamento quântico é o nosso primeiro fenômeno e na nossa próxima aula vamos falar sobre outro fenômeno associado às partículas quânticas o famoso emaranhamento quântico então até a próxima aula valeu