Phonon: este é o som do mundo quântico

Da música de uma guitarra ao latido do seu cão, todos os sons se propagam no espaço que nos rodeia através de uma onda mecânica. A onda comprime e descomprime o ar, ou o meio material em que se move, e é por isso que a ouvimos.

Isto é semelhante ao que fazem as vibrações dos átomos num sólido cristalino, que são aqueles sólidos cujos átomos estão periodicamente dispostos em três dimensões, como uma folha de cobre, um pedaço de gelo ou um diamante.

No submundo dos átomos, o som das partículas quânticas respeita um tipo de lei diferente ao de uma corda de guitarra ou do latido do seu cão. A energia transportada por essas ondas, resultado do movimento dos átomos, deve obedecer às leis da mecânica quântica e transmitir a energia através de pacotes ou quantum de energia.

O nano mundo dos fonões

Qualquer material, visto ao microscópio, é composto de átomos que se conectam para adquirir uma determinada forma, desde uma parede até ao corpo humano, desde as unhas até às células do coração. As moléculas são combinações estáveis e eletricamente neutras de átomos.

Num sólido cristalino, os átomos estão dispostos de maneira ordenada numa estrutura uniforme e repetitiva. Podemos imaginar uma rede em cujos nós os átomos estão ancorados, com uma particularidade: eles nunca ficam parados, vibram em torno da sua posição de equilíbrio. “Nesse momento começa a sinfonia”, afirma a Doutora em Métodos Quantitativos do CUNE, Gloria Anemone, professora contratada do CUNEF.

Pode-se considerar que as ligações entre esses átomos se comportam essencialmente como molas, de tal forma que ao se movimentar, uma onda se propaga por todo o cristal. Mas é claro que se olhássemos para esta onda com olhos da mecânica quântica, também a veríamos como uma partícula devido ao princípio da dualidade onda-corpúsculo.

Aparece então o fonão, que se move através do cristal interagindo com outras partículas, como os eletrões. Esta interação, por exemplo, sob certas condições, dá origem a fenómenos fascinantes como a supercondutividade.

A palavra phonon vem do grego phonos, que significa som ou voz. Um fonão é um objeto quântico que emerge das vibrações coletivas de biliões de átomos numa rede cristalina. É classificada como quase-partícula ou excitação coletiva.

Ao contrário de uma partícula, como um eletrão ou um átomo, que pode existir isolada e independentemente, uma quase-partícula não tem existência própria fora do sistema em que aparece. Podemos ter eletrões livres, mas os fonões só existem como manifestação do comportamento coletivo da matéria. Devido à sua natureza coletiva, necessitam de um meio excitado para existir; assim como necessita o som.

Quando falta a estrutura cristalina e entramos no mundo dos materiais amorfos, o caminho livre médio dos fonões torna-se muito pequeno, o que dificulta a propagação das ondas. Nestes materiais amorfos não há harmonia. É como uma orquestra em que cada músico toca uma peça diferente.

Fonões e condutividade térmica

Uma das funções mais importantes dos fonões é a influência que eles exercem na condutividade térmica dos materiais, especialmente dos não-metais, uma vez que nos metais os eletrões têm maior influência na condutividade térmica.

Quando um material é aquecido, a energia térmica é absorvida pelos átomos, que passam a vibrar com mais vigor. Essas vibrações propagam-se pelo material na forma de fonões, transferindo energia térmica de uma parte do material para outra.

Em geral, a condutividade térmica aumenta se os fonões puderem viajar através do material sem muitos obstáculos (defeitos, impurezas e arestas no material). E se não houver muitos fonões, é claro.

Também pode acontecer que os fonões possam colidir entre si e diminuir a condutividade térmica. Isto significa que nenhum aumento na temperatura aumentará a condutividade; só poderá atingir um máximo que vai depender do material, da sua estrutura, da sua pureza e das dimensões.

O conhecimento da condutividade térmica é essencial para escolher o material adequado, dependendo se queremos materiais isolantes térmicos, como madeira ou polímeros, ou bons condutores, como o diamante.

Fonões para um futuro melhor

Explorar o mundo destas quase-partículas permite-nos desvendar os mistérios que regem a propagação do som e a condutividade térmica dos materiais, e como os fonões afetam as propriedades eletrónicas dos materiais.

Esta etapa é fundamental para o desenvolvimento de novas tecnologias, desde a nanotecnologia até à eletrónica de ponta. E já agora, permitiu-nos descobrir que nas profundezas da matéria também existe música.

Referência da notícia:

The Conversation. "Fonón: el sonido del mundo cuántico". 2024.