O zoológico de entidades semelhantes a partículas que emergem espontaneamente, conhecidas como quasipartículas, cresceu rapidamente e se tornou cada vez mais exótico. Aqui estão alguns dos exemplos mais curiosos e potencialmente úteis.
Acordando em uma realidade alternativa, Harry Kim, um oficial a bordo da nave USS Voyager, cria uma distorção no continuum espaço-tempo com um feixe de polarons. Parece ficção científica? Bem, sim, mas apenas em parte.
“Jornada nas estrelas costumava adorar tomar os nomes de quasipartículas reais e atribuir propriedades mágicas a elas”, disse Douglas Natelson, físico da Rice University no Texas, cujo trabalho envolve a criação de quasipartículas reais com propriedades quase mágicas.
As quasipartículas são uma espécie de partículas. Proibida a entrada do clube exclusivo de 17 partículas “fundamentais” que são consideradas os blocos de construção de toda a realidade material, as quasipartículas emergem das complicadas interações entre um grande número dessas partículas fundamentais. Os físicos podem pegar um sólido, líquido ou plasma feito de um grande número de partículas, submetê-lo a temperaturas e pressões extremas e descrever o sistema resultante como algumas entidades robustas semelhantes a partículas. As quasipartículas emergentes podem ser bastante estáveis com propriedades bem definidas como massa e carga.
Polarons, por exemplo, descobertos por Lev Landau em 1933 e que receberam uma participação especial em Star Trek: Voyager em 1995, materializam-se quando muitos elétrons estão presos dentro de um cristal. O impulso e a tração entre cada elétron e todas as partículas em seu ambiente “revestem” o elétron de modo que ele atue como uma quase-partícula com uma massa maior.
Em outros tipos de matéria condensada que dominaram a pesquisa nas últimas décadas, as coisas ficam muito mais estranhas. Os pesquisadores podem criar quasipartículas que têm uma fração precisa da carga ou spin do elétron (um tipo de momento angular intrínseco). Ainda não se sabe como essas propriedades exóticas surgem. “É literalmente como mágica”, disse Sankar Das Sarma, um físico da matéria condensada da Universidade de Maryland.
Usando intuição, suposições educadas e simulações de computador, os físicos da matéria condensada tornaram-se melhores em descobrir quais quasipartículas são teoricamente possíveis. Enquanto isso, no laboratório, à medida que os físicos levam novos materiais a novos extremos, o zoológico de quase-partículas cresceu rapidamente e se tornou cada vez mais exótico. “É realmente uma grande conquista intelectual”, disse Natelson.
Descobertas recentes incluem pi-tons, fractons imóveis e rugas empenadas. “Agora pensamos em quasipartículas com propriedades com as quais nunca sonhamos antes”, disse Steve Simon, um físico teórico de matéria condensada da Universidade de Oxford.
Aqui estão algumas das quasipartículas mais curiosas e potencialmente úteis.
Computação Quântica com Majoranas
Uma das primeiras quasipartículas descobertas foi um “buraco”: simplesmente a ausência de um elétron em um lugar onde deveria existir. Físicos na década de 1940 descobriram que buracos saltam dentro de sólidos como partículas carregadas positivamente. Mais estranho ainda – e potencialmente muito útil – são as hipotéticas quasipartículas de Majorana, que têm uma personalidade dividida: elas são meio elétron e meio buraco ao mesmo tempo. “É uma coisa tão louca”, disse Das Sarma.
Em 2010, Das Sarma e seus colaboradores argumentaram que as quasipartículas de Majorana poderiam ser usadas para criar computadores quânticos. Quando você move o elétron e o buraco em torno um do outro, eles armazenam informações, como um padrão entrelaçado em duas cordas. Diferentes torções correspondem aos 1s, 0s e superposições de 1s e 0s que são os bits da computação quântica.
Os esforços para construir computadores quânticos eficazes têm tropeçado até agora porque as superposições quânticas da maioria dos tipos de partículas se desfazem quando ficam muito quentes ou quando colidem com outras partículas. Não é assim para quasipartículas de Majorana. Sua composição incomum os dota de energia zero e carga zero, e isso teoricamente permite que existam profundamente dentro de um certo tipo de supercondutor, um material que conduz eletricidade sem resistência. Nenhuma outra partícula pode existir lá, criando uma “lacuna” que torna impossível a decomposição do Majorana. “A lacuna supercondutora protege o Majorana”, disse Das Sarma – pelo menos em teoria.
Desde 2010, experimentalistas têm corrido para construir quasipartículas reais de Majorana a partir de uma complexa montagem de um supercondutor, um nanofio e um campo magnético. Em 2018, um grupo de pesquisadores relatou na Nature que observaram as principais assinaturas de Majoranas. Mas especialistas externos questionaram aspectos da análise de dados e, no início deste mês, o artigo foi retirado.
Uma coisa é pensar em uma possível quasipartícula e outra é observá-la em um experimento onde as temperaturas estão próximas do zero absoluto, as amostras são construídas átomo por átomo e minúsculas impurezas podem descarrilar tudo.
Das Sarma não se intimidou. “Eu garanto que o Majorana será visto, porque sua teoria é intocada. Este é um problema de engenharia; este não é um problema de física”, disse ele.
Um buraco negro feito de polaritons
O crescente zoológico de quase-partículas, com sua gama de personagens incomuns, oferece aos físicos um kit de ferramentas com o qual eles podem construir análogos de outros sistemas que são difíceis ou impossíveis de acessar, como buracos negros.
“Com esses análogos, queremos investigar a física que não podemos tocar com nossas mãos”, disse Maxime Jacquet, do Laboratório Kastler-Brossel da Universidade Sorbonne, em Paris.
Buracos negros se formam no cosmos onde a gravidade se torna tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar. Você pode fazer um análogo simples de um buraco negro puxando a tampa da banheira e observando a água girar pelo ralo: as ondas de água que chegam perto demais do ralo são inevitavelmente sugadas para o vórtice. Você pode fazer um análogo ainda melhor – como Jacquet e seus colaboradores estão fazendo – com as quase-partículas chamadas polaritons.
Cortesia de Maxime Jacquet
Polaritons são misturas de matéria e luz. Os pesquisadores usam dois espelhos para capturar um fóton dentro de uma gaiola que também contém um exciton, uma espécie de quase-partícula feita de um elétron e um buraco que orbitam um ao outro. (Um exciton é diferente de uma quasipartícula de Majorana, que é meio elétron e meio buraco no mesmo lugar ao mesmo tempo.) O fóton salta para frente e para trás entre os espelhos cerca de um milhão de vezes antes de escapar, e conforme salta o fóton se mistura com o exciton para formar um polariton. Muitos fótons e excitons são engaiolados e combinados dessa forma, e esses polaritons se comportam em massa como luz líquida, que não sofre atrito e não se espalha. Os pesquisadores projetaram o fluxo desses polaritons para imitar como a luz se move ao redor de um buraco negro.
A luz líquida não é estável e, eventualmente, o fóton escapa. É essa gaiola com vazamentos que permite a Jacquet estudar como os buracos negros evoluem com o tempo. Roger Penrose, físico matemático ganhador do Prêmio Nobel, teorizou que os buracos negros em rotação podem perder energia e diminuir gradualmente a velocidade; Jacquet planeja testar essa ideia com polaritons.
?Ninguém pode dizer isso com a astrofísica, mas nós podemos?, disse Jacquet, reconhecendo que é um “salto” desses experimentos de laboratório para o que acontece em buracos negros reais.
Magnons Eternos
Se uma quase-partícula pode se deteriorar, ela acabará por se deteriorar. Um magnon, por exemplo – uma quasipartícula feita de pedaços de campo magnético em movimento através de um material – pode decair em dois outros magnons, desde que a energia desses produtos não seja maior do que a do magnon original.
No entanto, as quasipartículas são bastante estáveis, supostamente por duas razões: elas emergem de sistemas mantidos em temperaturas muito baixas, portanto, possuem pouca energia para começar, e apenas interagem umas com as outras fracamente, portanto, há poucos distúrbios que as desencadeiam. decair. “Quando há muito empurra e puxa, a expectativa ingênua era que a decadência só aconteceria mais rápido”, disse Ruben Verresen, um físico da matéria condensada da Universidade de Harvard.
Mas a pesquisa de Verresen mudou essa imagem de cabeça para baixo. Em um artigo publicado em 2019, ele e seus colegas descreveram como modelaram teoricamente quasipartículas em decomposição e, gradualmente, aumentaram a força das interações entre elas para ver o que acontecia. No início, as quasipartículas decaíram mais rapidamente, como esperado. Mas então – para a surpresa de Verresen – quando a força da interação se tornou muito forte, as quasipartículas se recuperaram. “De repente, você tem uma quasipartícula de novo que é infinitamente longa”, disse ele.
A equipe então executou uma simulação de computador explorando o comportamento de um ímã ultrafrio, e eles viram magnons emergindo que não decaíram. Eles mostraram que sua nova compreensão de quasipartículas de interação forte poderia explicar algumas características intrigantes vistas em experimentos com magnons de 2017. Mais do que uma teoria simples, esses magnons eternos são realizados na natureza.
As descobertas sugerem que as quasipartículas podem ser muito mais robustas do que os pesquisadores pensaram. A linha entre a partícula e a quase-partícula está ficando borrada. “Não vejo uma diferença fundamental”, disse Verresen.
As quasipartículas surgem de arranjos de muitas partículas. Mas o que chamamos de partículas fundamentais, como quarks, fótons e elétrons, pode não ser tão elementar quanto pensamos. Alguns físicos suspeitam que essas partículas aparentemente fundamentais também são emergentes – embora, pelo que exatamente, ninguém possa dizer.
“Não conhecemos a teoria fundamental da qual os elétrons, fótons e assim por diante realmente emergem. Acreditamos que haja alguma estrutura unificadora”, disse Leon Balents, um teórico que pesquisa estados quânticos da matéria na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara. “As coisas que consideramos partículas fundamentais provavelmente não são fundamentais; eles são quasipartículas de alguma outra teoria.”
Publicado em 25/03/2021 10h23
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