Os teóricos estão em um frenesi por causa de “fractons”, partículas hipotéticas bizarras, mas potencialmente úteis, que só podem se mover em combinação umas com as outras.
Sua mesa é composta de átomos individuais distintos, mas de longe sua superfície parece lisa. Essa ideia simples está no cerne de todos os nossos modelos do mundo físico. Podemos descrever o que está acontecendo de modo geral sem nos perdermos nas complicadas interações entre cada átomo e elétron.
Assim, quando um novo estado teórico da matéria foi descoberto, cujas características microscópicas persistem obstinadamente em todas as escalas, muitos físicos se recusaram a acreditar em sua existência.
“Quando ouvi pela primeira vez sobre fractons, disse que não havia como isso ser verdade, porque isso desafia completamente meu preconceito de como os sistemas se comportam”, disse Nathan Seiberg, um físico teórico do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, New Jersey. Mas eu estava errado. Percebi que estava vivendo em negação. ”
A possibilidade teórica dos fractons surpreendeu os físicos em 2011. Recentemente, esses estranhos estados da matéria têm conduzido os físicos a novas estruturas teóricas que podem ajudá-los a enfrentar alguns dos problemas mais difíceis da física fundamental.
Fractons são quasipartículas – entidades parecidas com partículas que emergem de complicadas interações entre muitas partículas elementares dentro de um material. Mas os fractons são bizarros mesmo em comparação com outras quasipartículas exóticas, porque são totalmente imóveis ou só podem se mover de uma maneira limitada. Não há nada em seu ambiente que impeça os fractons de se moverem; em vez disso, é uma propriedade inerente deles. Isso significa que a estrutura microscópica dos fractons influencia seu comportamento em longas distâncias.
“Isso é totalmente chocante. Para mim, é a fase mais estranha da matéria”, disse Xie Chen, um teórico da matéria condensada do Instituto de Tecnologia da Califórnia.
Partial Particles
Em 2011, Jeongwan Haah, então um estudante de graduação na Caltech, estava procurando por fases incomuns da matéria que eram tão estáveis que podiam ser usadas para proteger a memória quântica, mesmo em temperatura ambiente. Usando um algoritmo de computador, descobri uma nova fase teórica que veio a ser chamada de código Haah. A fase rapidamente chamou a atenção de outros físicos por causa das quasipartículas estranhamente imóveis que a compõem.
Eles pareciam, individualmente, como meras frações de partículas, apenas capazes de se mover em combinação. Logo, mais fases teóricas foram encontradas com características semelhantes, e então em 2015 Haah – junto com Sagar Vijay e Liang Fu – cunhou o termo “fractons” para as estranhas quasipartículas parciais. (Um artigo anterior, mas esquecido, de Claudio Chamon agora é creditado com a descoberta original do comportamento da fratura.)
Para ver o que há de tão excepcional sobre as fases de fratura, considere uma partícula mais típica, como um elétron, movendo-se livremente através de um material. A forma estranha, mas comum, como certos físicos entendem esse movimento, é que o elétron se move porque o espaço é preenchido com pares elétron-pósitron surgindo e desaparecendo momentaneamente. Um desses pares aparece de forma que o pósitron (a antipartícula com carga oposta do elétron) está no topo do elétron original e eles se aniquilam. Isso deixa para trás o elétron do par, deslocado do elétron original. Como não há como distinguir entre os dois elétrons, tudo o que percebemos é um único elétron se movendo.
Agora, em vez disso, imagine que pares de partículas e antipartículas não podem surgir do vácuo, mas apenas quadrados deles. Nesse caso, pode surgir um quadrado de forma que uma antipartícula fique no topo da partícula original, aniquilando aquele canto. Um segundo quadrado então surge do vácuo de forma que um de seus lados se aniquila com um lado do primeiro quadrado. Isso deixa para trás o lado oposto do segundo quadrado, também consistindo em uma partícula e uma antipartícula. O movimento resultante é o de um par partícula-antipartícula movendo-se lateralmente em linha reta. Neste mundo – um exemplo de fase de fratura – o movimento de uma única partícula é restrito, mas um par pode se mover facilmente.
O código Haah leva o fenômeno ao extremo: as partículas só podem se mover quando novas partículas são convocadas em padrões de repetição intermináveis chamados fractais. Digamos que você tenha quatro partículas organizadas em um quadrado, mas quando você aumenta o zoom em cada canto, encontra outro quadrado de quatro partículas que estão próximas. Aumente o zoom em um canto novamente e você encontrará outro quadrado, e assim por diante. Para que tal estrutura se materialize no vácuo, é necessária tanta energia que é impossível mover este tipo de fratura. Isso permite que qubits muito estáveis – os bits da computação quântica – sejam armazenados no sistema, já que o ambiente não pode interromper o estado delicado dos qubits.
A imobilidade dos fractões torna muito difícil descrevê-los como um continuum suave à distância. Como as partículas geralmente podem se mover livremente, se você esperar o tempo suficiente, elas entrarão em um estado de equilíbrio, definido por propriedades de massa, como temperatura ou pressão. As localizações iniciais das partículas deixam de ter importância. Mas os fractons estão presos em pontos específicos ou só podem se mover em combinação ao longo de certas linhas ou planos. Descrever esse movimento requer o acompanhamento das localizações distintas dos fratões e, portanto, as fases não podem se desviar de seu caráter microscópico ou se submeter à descrição usual do continuum.
Seu comportamento microscópico resoluto torna “um desafio imaginar exemplos de fraturas e pensar profundamente sobre o que é possível”, disse Vijay, um teórico da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara. “Sem uma descrição contínua, como definimos esses estados da matéria?”
“Estamos perdendo uma grande quantidade de coisas”, disse Chen. “Não temos ideia de como descrevê-los e o que significam.”
Uma nova estrutura Fracton
Fractons ainda não foram feitos no laboratório, mas isso provavelmente mudará. Certos cristais com defeitos imóveis mostraram ser matematicamente semelhantes aos fractons. E a paisagem teórica de fractais se desenrolou além do que qualquer um esperava, com novos modelos surgindo a cada mês.
“Provavelmente, em um futuro próximo, alguém pegará uma dessas propostas e dirá: ‘OK, vamos fazer um experimento heróico com átomos frios e realizar exatamente um desses modelos de fratura'”, disse Brian Skinner, físico de matéria condensada da Universidade Estadual de Ohio quem criou modelos de fractons.
Mesmo sem sua realização experimental, a mera possibilidade teórica de fractons soou o alarme para Seiberg, um dos principais especialistas em teoria quântica de campos, a estrutura teórica em que quase todos os fenômenos físicos são descritos atualmente.
A teoria quântica de campos descreve partículas discretas como excitações em campos contínuos que se estendem através do espaço e do tempo. É a teoria física mais bem-sucedida já descoberta e abrange o Modelo Padrão da física de partículas – a equação impressionantemente precisa que rege todas as partículas elementares conhecidas.
“Fractons não se encaixam neste quadro. Então, minha opinião é que a estrutura está incompleta”, disse Seiberg.
Existem outras boas razões para pensar que a teoria quântica de campos está incompleta – por um lado, ela até agora não consegue explicar a força da gravidade. Se eles puderem descobrir como descrever os fractons na estrutura da teoria quântica de campos, Seiberg e outros teóricos prevêem novas pistas para uma teoria da gravidade quântica viável.
“A discrição dos fractons é potencialmente perigosa, pois pode arruinar toda a estrutura que já temos”, disse Seiberg. “Mas ou você diz que é um problema ou diz que é uma oportunidade.”
Ele e seus colegas estão desenvolvendo novas teorias de campo quântico que tentam abranger a estranheza dos fratons, permitindo algum comportamento discreto no topo de um alicerce de espaço-tempo contínuo.
“A teoria quântica de campos é uma estrutura muito delicada, então gostaríamos de mudar as regras o mínimo possível”, disse ele. “Estamos caminhando sobre gelo muito fino, na esperança de chegar ao outro lado.”
Publicado em 27/07/2021 11h48
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