Físicos criam um novo estado quântico bizarro chamado mar de Fermi fracionário

Num estudo publicado em Cartas de revisão físicapesquisadores do grupo liderado por Hanns-Christoph Nägerl, trabalhando com o físico teórico Alvise Bastianello do CNRS e da Université Paris-Dauphine, descrevem como projetar um estado quântico exótico conhecido como “mar de Fermi fracionário”.

A descoberta envolve empurrar os átomos de césio ultrafrios muito além das suas condições normais, alterando repetidamente a força com que se atraem ou se repelem. Em vez de simplesmente ficarem desordenadas, as partículas reorganizam-se numa configuração incomum que se comporta de forma diferente dos sistemas quânticos que os cientistas tradicionalmente estudam.

As descobertas teóricas fornecem a base para pesquisas experimentais recentes conduzidas pela equipe de Nägerl no Departamento de Física Experimental.

Empurrando as partículas quânticas além de seus limites normais

Em condições normais, as partículas quânticas seguem regras bem estabelecidas que determinam a forma como se organizam, especialmente a temperaturas extremamente baixas.

Um exemplo importante envolve férmions, uma categoria de partículas que inclui elétrons. Estas partículas não podem ocupar todas o mesmo estado quântico, por isso preenchem os níveis de energia disponíveis de acordo com restrições específicas. A temperaturas muito baixas, este arranjo produz o que os físicos chamam de mar de Fermi.

Mas o que acontece quando os investigadores perturbam deliberadamente as condições que normalmente governam o comportamento das partículas?

Como explica Alvise Bastianello: “Os férmions, por exemplo, empilham-se ordenadamente nos estados de energia disponíveis para formar o chamado ‘mar de Fermi’. Mas o que acontece se forçarmos os átomos em interação a circularem continuamente através de condições extremas, mudando-os suavemente de se repelirem fortemente para se atrairem fortemente?”

Para investigar esta possibilidade, os investigadores estudaram átomos de césio ultrafrios confinados a um sistema unidimensional. Isso significa que os átomos estão restritos a se moverem em uma única direção, criando um ambiente no qual suas interações quânticas podem ser estudadas com controle excepcional.

A equipe examinou o que acontece quando as interações entre esses átomos são repetidamente ajustadas, alternando entre repulsão e atração poderosas.

Seus cálculos revelaram algo inesperado. A partir do estado fundamental, a configuração de energia mais baixa disponível para o sistema, os átomos poderiam ser levados a um estado altamente excitado sem perder a sua organização subjacente.

Os investigadores chamam este arranjo incomum de mar de Fermi fracionário porque as suas partículas parecem obedecer a uma regra modificada que governa a forma como os estados quânticos são ocupados.

“Em vez de simplesmente aquecer o sistema, o ciclo de interação reorganiza os átomos num novo estado de muitos corpos”, diz Yi Zeng, o principal autor deste estudo. “Isso nos dá uma maneira controlada de explorar a matéria quântica além dos paradigmas usuais de equilíbrio.”

Um estranho novo estado quântico com ordem oculta

Uma das características mais intrigantes do mar de Fermi fracionário é que as suas partículas permanecem organizadas mesmo que o sistema tenha sido empurrado para longe do equilíbrio.

Na física, o equilíbrio descreve uma condição na qual as propriedades globais de um sistema se estabeleceram num equilíbrio estável. Os sistemas afastados do equilíbrio podem comportar-se de formas complicadas e inesperadas, tornando-os particularmente difíceis de compreender.

No entanto, o mar de Fermi fracionário não é simplesmente uma coleção de partículas excitadas que se comportam aleatoriamente. Em vez disso, contém padrões matemáticos distintos que revelam uma estrutura mais profunda.

Entre esses padrões estão ondulações pronunciadas chamadas oscilações de Friedel. Estas são variações semelhantes a ondas associadas à forma como as partículas quânticas influenciam umas às outras. Os investigadores também identificaram padrões incomuns na forma como as correlações entre as partículas enfraquecem com o aumento da distância, mesmo quando as interações repulsivas são relativamente fracas.

Essas assinaturas são importantes porque diferem das previsões associadas à teoria dos líquidos de Tomonaga-Luttinger, uma estrutura estabelecida há muito tempo para descrever como as partículas quânticas interagentes se comportam em sistemas unidimensionais.

As descobertas apontam, portanto, para um tipo de comportamento quântico anteriormente inexplorado que não pode ser totalmente descrito usando este quadro teórico familiar.

“Este estado é altamente animador, mas não é aleatório”, diz Hanns-Christoph Nägerl, o líder do grupo. “Tem uma ordem oculta que se torna visível nas suas correlações.”

O comportamento estranho também levanta questões sobre as partículas efetivas que emergem dentro do sistema. Os físicos chamam essas excitações coletivas de quasipartículas porque podem se comportar como partículas individuais, embora surjam do movimento coordenado de muitas partículas em interação.

Nägerl sugere que as excitações incomuns podem eventualmente merecer um nome próprio.

“Ainda não temos certeza de como devemos nomear essas novas quasipartículas. Talvez ‘super-Fermions’?”

Abrindo uma nova fronteira na física quântica

A descoberta sugere que os mares fracionários de Fermi representam uma fase crítica exótica da matéria quântica, com padrões característicos de correlações de partículas que se estendem além das descrições existentes de sistemas quânticos unidimensionais.

Também demonstra o poder crescente da simulação quântica, uma técnica que permite aos cientistas utilizar sistemas quânticos cuidadosamente controlados para investigar comportamentos físicos que de outra forma seriam difíceis de reproduzir ou estudar.

Os átomos ultrafrios são particularmente úteis para esse propósito porque os pesquisadores podem ajustar com precisão suas interações e observar como os estados quânticos resultantes mudam.

Em vez de limitar estas experiências à recriação de fenómenos já compreendidos através de teorias estabelecidas, os cientistas podem agora explorar estados deliberadamente concebidos que revelam possibilidades inteiramente novas.

Como diz Hanns-Christoph Nägerl: “A descoberta de mares de Fermi fracionários mostra até onde podemos levar a simulação quântica: não apenas reproduzindo modelos conhecidos, mas criando e sondando estados que vão além dos paradigmas estabelecidos.”

A publicação atual estabelece a estrutura teórica para mares fracionários de Fermi. Um estudo complementar que descreve sua realização experimental por meio de simulação quântica está sendo revisado por pares.

Em conjunto, a investigação aponta para novas formas de investigar o comportamento fundamental da matéria quântica, incluindo excitações colectivas invulgares e formas ocultas de ordem que surgem apenas quando as partículas são empurradas para longe das suas condições normais.