Cientistas observam um efeito no mundo quântico que não existe no macrocosmo.
Pesquisadores da Universidade de Bonn e da ETH Zurich conduziram um estudo aprofundado de transições de fase únicas em certos metais. Suas descobertas fornecem uma melhor compreensão da física quântica e potencialmente avançam no campo da tecnologia da informação quântica.
Quando são resfriados abaixo de uma certa temperatura crítica, muitas substâncias mudam suas propriedades. Por exemplo, tal transição de fase ocorre, quando a água congela. No entanto, em certos metais, existem transições de fase que não existem no macrocosmo. Eles surgem por causa das leis especiais da mecânica quântica que se aplicam ao reino dos menores blocos de construção da natureza. Pensa-se que o conceito de elétrons como portadores de carga elétrica quantizada não se aplica mais perto dessas transições de fase exóticas.
Os cientistas agora encontraram uma maneira de provar isso diretamente. Suas descobertas permitem novos insights sobre o mundo exótico da física quântica. A publicação, de pesquisadores da Universidade de Bonn e da ETH Zurich, agora foi divulgada na revista Nature Physics.
Entendendo as Transições de Fase
Se você resfriar a água abaixo de zero graus Celsius (32 graus Fahrenheit), ela se solidifica em gelo. No processo, ele muda abruptamente suas propriedades. Como gelo, por exemplo, tem uma densidade muito menor do que no estado líquido. É por isso que os cubos de gelo e os icebergs flutuam. Na física, isso é chamado de transição de fase.
Mas também existem transições de fase nas quais as características de uma substância mudam gradualmente. Se, por exemplo, um ímã de ferro for aquecido a 760 graus Celsius (1.400 graus Fahrenheit), ele perde sua atração por outros pedaços de metal – ele não é mais ferromagnético, mas paramagnético. No entanto, isso não acontece abruptamente, mas continuamente: os átomos de ferro se comportam como minúsculos ímãs
Em baixas temperaturas, eles são orientados paralelamente um ao outro. Quando aquecidos, eles flutuam cada vez mais em torno dessa posição de repouso até ficarem completamente alinhados aleatoriamente e o material perder completamente seu magnetismo. Portanto, enquanto o metal está sendo aquecido, ele pode ser tanto ferromagnético quanto paramagnético.
Partículas de matéria não podem ser destruídas
A transição de fase, portanto, ocorre gradualmente, por assim dizer, até que, finalmente, todo o ferro seja paramagnético. Ao longo do caminho, a transição desacelera cada vez mais. Este comportamento é característico de todas as transições de fase contínuas.
“Chamamos isso de ‘desaceleração crítica'”, explica o Prof. Dr. Hans Kroha, do Centro Bethe de Física Teórica da Universidade de Bonn. “A razão é que, com transições contínuas, as duas fases ficam cada vez mais próximas energeticamente.”
É semelhante a colocar uma bola em uma rampa: ela rola ladeira abaixo, mas quanto menor a diferença de altitude, mais lentamente ela rola. Quando o ferro é aquecido, a diferença de energia entre as fases diminui cada vez mais, em parte porque a magnetização desaparece progressivamente durante a transição.
Essa “desaceleração” é típica para transições de fase baseadas na excitação de bósons. Os bósons são partículas que “geram” interações (nas quais, por exemplo, se baseia o magnetismo). A matéria, por outro lado, não é feita de bósons, mas de férmions. Os elétrons, por exemplo, pertencem aos férmions.
As transições de fase são baseadas no fato de que as partículas (ou também o fenômeno desencadeado por elas) desaparecem. Isso significa que o magnetismo no ferro se torna cada vez menor à medida que menos átomos são alinhados em paralelo. “Os férmions, no entanto, não podem ser destruídos devido às leis fundamentais da natureza e, portanto, não podem desaparecer”, explica Kroha. “É por isso que normalmente eles nunca estão envolvidos em transições de fase.”
Elétrons se transformam em quasipartículas
Os elétrons podem estar ligados em átomos; eles então têm um lugar fixo do qual não podem sair. Alguns elétrons em metais, por outro lado, são livremente móveis – e é por isso que esses metais também podem conduzir eletricidade. Em certos materiais quânticos exóticos, ambas as variedades de elétrons podem formar um estado de superposição. Isso produz o que é conhecido como quasipartículas. Eles são, de certo modo, imóveis e móveis ao mesmo tempo – uma característica que só é possível no mundo quântico.
Essas quasipartículas – ao contrário dos elétrons “normais” – podem ser destruídas durante uma transição de fase. Isso significa que as propriedades de uma transição de fase contínua também podem ser observadas lá, em particular, desaceleração crítica.
Até agora, esse efeito pode ser observado apenas indiretamente em experimentos. Pesquisadores liderados pelo físico teórico Hans Kroha e pelo grupo experimental de Manfred Fiebig na ETH Zurich desenvolveram agora um novo método, que permite a identificação direta do colapso de quasipartículas em uma transição de fase, em particular a desaceleração crítica associada.
“Isso nos permitiu mostrar pela primeira vez diretamente que tal desaceleração também pode ocorrer em férmions”, diz Kroha, que também é membro da Área de Pesquisa Transdisciplinar “Matéria” da Universidade de Bonn e do Cluster de Excelência ” Matéria e Luz para Computação Quântica” da Fundação Alemã de Pesquisa. O resultado contribui para uma melhor compreensão das transições de fase no mundo quântico. A longo prazo, as descobertas também podem ser úteis para aplicações em tecnologia de informação quântica.
Publicado em 08/08/2023 02h03
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