Físicos resolvem um mistério quântico que deixou os cientistas perplexos por décadas
Os físicos desenvolveram uma nova teoria que reúne duas áreas principais da física quântica moderna. O trabalho explica como uma única partícula incomum se comporta dentro de um ambiente quântico lotado conhecido como sistema de muitos corpos. Neste cenário, a partícula pode atuar como algo que se move livremente ou como algo que permanece quase fixo dentro de uma vasta coleção de férmions, muitas vezes chamada de mar de Fermi. Pesquisadores do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg criaram esta estrutura para explicar como as quasipartículas se formam e para ligar dois estados quânticos que antes eram considerados incompatíveis. Eles dizem que os resultados podem influenciar fortemente os experimentos em andamento na matéria quântica.
Na física quântica de muitos corpos, os cientistas debatem há muito tempo como as impurezas se comportam quando cercadas por um grande número de outras partículas. Essas impurezas podem ser elétrons ou átomos incomuns (isto é, elétrons ou átomos exóticos). Uma explicação amplamente utilizada é o modelo de quasipartículas. Nesta imagem, uma única partícula se move através de um mar de férmions, como elétrons, prótons ou nêutrons, e interage constantemente com aqueles ao seu redor. À medida que viaja, ele puxa consigo partículas próximas, criando uma entidade combinada chamada polaron de Fermi. Embora se comporte como uma única partícula, esta quase-partícula surge do movimento partilhado da impureza e do seu entorno. Como observa Eugen Dizer, doutorando na Universidade de Heidelberg, essa ideia tornou-se central para a compreensão de sistemas fortemente interagentes, desde gases ultrafrios até materiais sólidos e matéria nuclear.
Quando partículas pesadas perturbam o sistema
Um cenário muito diferente aparece em um fenômeno conhecido como catástrofe da ortogonalidade de Anderson. Isso ocorre quando uma impureza é tão pesada que quase não se move. Sua presença altera dramaticamente o sistema circundante. As funções de onda dos férmions mudam tão extensivamente que perdem sua forma original, criando um fundo complicado onde o movimento coordenado é interrompido. Nestas condições, as quasipartículas não podem se formar. Até agora, os físicos não tinham uma teoria clara que ligasse este caso extremo ao quadro da impureza móvel. Ao aplicar uma série de ferramentas analíticas, a equipe da Heidelberg conseguiu conectar essas duas descrições em uma única estrutura.
Pequenos movimentos com grandes consequências
“A estrutura teórica que desenvolvemos explica como as quasipartículas emergem em sistemas com uma impureza extremamente pesada, conectando dois paradigmas que há muito são tratados separadamente”, explica Eugen Dizer, que trabalha no grupo de Teoria da Matéria Quântica liderado pelo Prof. Um insight importante por trás da teoria é que mesmo as impurezas muito pesadas não ficam perfeitamente imóveis. À medida que o ambiente se ajusta, essas partículas sofrem pequenos movimentos. Essas pequenas mudanças criam uma lacuna de energia que possibilita a formação de quasipartículas, mesmo em um ambiente fortemente correlacionado. Os pesquisadores também mostraram que esse processo é responsável naturalmente pela transição dos estados polarônicos para os estados quânticos moleculares.
Implicações para experimentos quânticos
O professor Schmidt diz que os novos resultados oferecem uma maneira flexível de descrever impurezas que podem ser aplicadas em diferentes dimensões e tipos de interação. “Nossa pesquisa não apenas avança na compreensão teórica das impurezas quânticas, mas também é diretamente relevante para experimentos em andamento com gases atômicos ultrafrios, materiais bidimensionais e novos semicondutores”, acrescenta.
O estudo foi conduzido como parte do STRUCTURES Cluster of Excellence da Universidade de Heidelberg e do ISOQUANT Collaborative Research Center 1225. As descobertas foram publicadas na revista Cartas de revisão física.
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