Em 1926, quando Erwin Schrödinger escreveu a equação que leva seu nome, ele próprio não sabia dizer ao certo o que raio era aquela função de onda que acabara de inventar no papel, o que é o resumo do trabalho de todos os físicos. Schrödinger passou o resto da vida meio incomodado com a criatura: a matemática funcionava perfeitamente, previa tudo, acertava experimentos, só que ninguém conseguia dizer o que ela representava fisicamente, nem produzir dela algo tão simples quanto uma imagem. Um século depois, um grupo de físicos da Universidade de Göttingen resolveu, enfim, tirar essa entidade fantasmagórica do armário e fotografá-la, em três dimensões, dentro de uma molécula real.

Para quem ficou traumatizado com aula de Química no colégio: elétrons não giram em órbitas como planetinhas ao redor do núcleo, apesar do que sugerem aqueles desenhos toscos de livro didático. Eles existem como uma espécie de névoa de probabilidade, um “orbital molecular”, que diz onde é mais provável encontrar o elétron, mas nunca sua posição exata num dado instante. É como saber que seu gato está “em algum lugar entre o sofá e a cozinha, com mais chance perto do aquecedor”, só que o gato, ao menos em teoria, está num lugar só. O elétron não. Ele está distribuído probabilisticamente por vários lugares ao mesmo tempo, e essa distribuição é a tal função de onda.

O problema é que essa função de onda é, por definição, inobservável diretamente. Não existe microscópio, por mais caro que seja, que a revele de cara.

O dr. Stefan Mathias comanda um grupo de pesquisa em dinâmica ultrarrápida de materiais quânticos no I. Physikalisches Institut da Universidade de Göttingen, dedicado a entender, em escalas de tempo próximas do femtossegundo (0,000000000000001 segundo, ou 10^–15 s), como elétrons se comportam dentro de materiais logo depois de excitados (ui!) por luz. É o tipo de físico que passa a carreira tentando fotografar o que teoricamente não pode ser fotografado, e este estudo é praticamente o ponto alto dessa obsessão.

Sabido quem está por trás da provocação, vale entender como ela foi resolvida na prática. Mathias e sua galerinha da pesada fizeram o que físicos fazem quando não podem medir a coisa em si: apenas contas porque só químicos são deuses bolaram um jeito indireto de espiá-la pelas frestas.

A técnica se chama espectroscopia de fotoelétrons; e funciona assim: bombardeia-se a molécula com luz ultravioleta extrema (soft X-ray, para os chegados em nomenclatura chique), o que expulsa elétrons dela. Medindo o momento desses elétrons fugitivos, os cientistas reconstroem metade da informação sobre a função de onda original, sem alterar seu estado. É como reconstruir o rosto de alguém a partir da sombra que a pessoa projeta na parede: incompleto, mas informativo.

A outra metade veio de algoritmos matemáticos recém-desenhados, uma espécie de Photoshop quântico para preencher lacunas que a medição sozinha não alcança. O resultado foi uma imagem completa do orbital molecular de uma molécula orgânica nanométrica, detalhada o bastante para distinguir estruturas menores do que a distância entre os próprios átomos de carbono que compõem a molécula. Para efeito de comparação, é como enxergar rugas menores do que o espaçamento entre os fios de cabelo numa cabeça.

Até aqui, já seria digno de nota. O detalhe que transforma isso em virada de jogo é outro: até agora, fazer esse tipo de imageamento em 3D exigia semanas de medições em síncrotrons, aqueles aceleradores de partículas gigantescos que poucos países no mundo possuem. Peregrinar até uma dessas instalações raras tornava o método caro, lento e praticamente inviável para capturar funções de onda “dinâmicas”, ou seja, mudando ao vivo, como um filme em vez de uma foto estática.

Ozalemon resolveram isso com dois ingredientes. Primeiro, um algoritmo reformulado do zero, que precisa de muito menos dados experimentais para gerar imagens confiáveis. Segundo, uma fonte de luz soft X-ray de bancada, que cabe num laboratório universitário comum e produz pulsos de luz ultracurtos, sem depender de acelerador de partículas do tamanho de um bairro inteiro. Somados, os dois avanços tiram a técnica do clube exclusivo dos poucos síncrotrons do planeta e a colocam, ao menos em princípio, ao alcance de laboratórios bem equipados que não precisam de reserva prévia numa fila internacional.

Vale lembrar que entender esse balé subatômico é a base de boa parte da química aplicada: painéis solares mais eficientes, remédios desenhados sob medida, materiais melhores para telecomunicações. Nada disso vira produto de prateleira amanhã, é bom ser honesto quanto a isso, mas o caminho entre “curiosidade de físico entretido com seus próprios cálculos” e “tecnologia que muda alguma coisa concreta” costuma ser mais curto do que parece de fora. Ou seja, físicos olham uma coisa, químicos a transformam em algo que tem serventia. De nada!

A Física Quântica tem esse hábito irritante de, décadas depois de parecer coisa de nerd filosofando sobre gatos e caixas, aparecer dentro do seu celular sem avisar. Se continuarem assim, poderemos até achar que físicos tomarão gosto por fazer algo que sai das escrivaninhas.

A pesquisa foi publicada no periódico Nature Communications.