Projecto Faraday

PROJECTO DE INTERVENÇÃO NO ENSINO DA FÍSICA NO SECUNDÁRIO
Fundação Calouste Gulbenkian - Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto
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O Microscópio de Efeito Túnel (STM)

Breve texto sobre o efeito túnel e o funcionamento do STM.

O microscópio de efeito túnel, ou STM (do inglês Scanning Tunneling Microscope), permite ver a estrutura de uma superfície com uma resolução cerca de cem vezes superior ao tamanho de um átomo. É possível conseguir ampliações da ordem dos 100 milhões de vezes: uma bola de andebol ficaria do tamanho do nosso planeta! O STM mostra-nos de maneira muito clara que a matéria é de facto composta por átomos. No caso dos sólidos, a sua distribuição espacial obedece a uma geometria bem definida.

imagem de STM de uma superfície de platina

Figura 1: Imagem de STM de uma superfície de platina: é evidente a simetria hexagonal da distribuição dos átomos. (Cortesia: IBM Research, Almaden Research Center. Não é permitida a utilização não autorizada.) Estão disponíveis mais imagens no site da IBM.

O STM usa um fenómeno conhecido como efeito túnel para determinar a distância entre a ponta de prova e a superfície a analisar. Mantendo a distância de separação constante ao longo do varrimento (scanning), obtemos a elevação z da superfície em cada ponto (x,y) do percurso (ver Fig. 2). Com esta informação, podemos fazer um "mapa topográfico" da superfície, ou uma representação do relevo como a Fig. 1.

esquema do varrimento da superfície pelo STM

Figura 2: A ponta de prova percorre toda a superfície, controlando a corrente de túnel para manter constante a distância de separação.

O que é o efeito túnel? É um efeito puramente quântico, que não pode ser explicado pela Física Clássica. A Teoria Quântica foi criada para descrever fenómenos que acontecem à escala atómica, e que nos parecem incompreensíveis à luz da nossa experiência quotidiana. É por isso natural que muitos dos seus resultados nos pareçam, à primeira vista, igualmente incompreensíveis. Segundo o grande físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962), "se alguém não ficar chocado com a teoria quântica, é porque não a compreendeu." No entanto, são dos resultados mais exactos da Física moderna.

Para tentar perceber o que é o efeito túnel, vamos considerar a situação esquematizada na Fig. 3: uma bola vai em direcção a uma montanha com uma dada velocidade. Segundo a Física Clássica, a situação é simples: se a velocidade v da bola for suficiente para ela atingir o topo P da montanha ainda com alguma velocidade residual, ela passa para a região B; se a velocidade não for suficiente, a bola é reflectida para a região A. Na Física Quântica, é sempre possível que a bola passe para B. Isto é, a bola pode não ter energia cinética suficiente para subir até ao ponto P, mas mesmo assim existe uma dada probabilidade de ela passar para a região B!

ilustração do efeito túnel

Figura 3: Na Física Quântica, a bola pode passar para a região B mesmo quando a sua energia cinética é insuficiente para atingir o ponto P, como se escavasse um túnel: daí o nome de efeito túnel.

Como compreender este facto? É esta a natureza dos átomos: há que aceitá-la, mesmo que seja difícil compreendê-la. Falta dizer que esta probabilidade (de transmissão) é quase nula para objectos macroscópicos. Na prática, a bola teria de ser um átomo ou um electrão, e a montanha uma barreira com uma espessura máxima de alguns (poucos) átomos; se atirarmos uma bola de ténis em direcção a uma rampa, é quase certo que não veremos este fenómeno... mas existe uma probabilidade muito, muito baixa de ele acontecer!

No microscópio de efeito túnel, o fenómeno manifesta-se na existência de uma corrente eléctrica (de túnel) entre a superfície e a ponta de prova, sem que haja contacto: os electrões passam da superfície para a ponta de prova sem ter energia suficiente para ocupar o espaço intermédio. É possível ter uma corrente sem contacto e sem efeito túnel se a tensão aplicada for elevada; esta situação provoca a ionização das moléculas do ar, acompanhada de faíscas. É o que por vezes acontece nos interruptores ou, de maneira mais espectacular, nos relâmpagos. Se a tensão aplicada for baixa, a corrente observada é devida ao efeito túnel. Este facto é comprovado pela diminuição muito acentuada da corrente quando aumentamos muito pouco a distância entre a ponta de prova e a superfície; esta variação exponencial está em completo acordo com os cálculos teóricos baseados no efeito túnel.

É essa sensibilidade da corrente de túnel à variação da distância, associada à utilização de materiais piezo-eléctricos para posicionamento da ponta de prova, que dá a este tipo de microscópio a sua extraordinária capacidade de resolução. A dificuldade técnica da construção deste instrumento e a importância das suas aplicações valeu aos seus inventores Gerd Binnig e Heinrich Rohrer (juntamente com Ernst Ruska, inventor do microscópio electrónico) o Prémio Nobel da Física de 1986.