Físicos detectam possíveis pistas de uma “forma fundamentalmente nova de matéria quântica”

0
56
(Créditos: Kai Fu para o laboratório da equipe de Wu, Unversidade de Princeton)

Por Mike McRae
Publicado na ScienceAlert

Metais e isolantes são fundamentais na física, com suas respectivas propriedades materiais estritamente ditadas pela mobilidade de seus elétrons – os metais devem conduzir os elétrons livremente, enquanto os isolantes os mantêm no lugar.

Então, quando os físicos da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, descobriram uma peculiaridade quântica de metais saltando dentro de um composto isolante, eles tentaram achar uma explicação.

Precisamos esperar mais estudos para descobrir exatamente o que está acontecendo. Mas uma possibilidade tentadora é que uma partícula anteriormente invisível esteja em ação, uma que representa o terreno neutro no comportamento do elétron. Eles estão chamando de ‘férmion neutro’.

“Isso foi uma surpresa completa”, disse o físico Sanfeng Wu, da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos.

“Nós nos perguntamos: ‘O que está acontecendo aqui?’ Ainda não entendemos totalmente.”

O fenômeno no centro da descoberta é a oscilação quântica. Como o termo indica, envolve o movimento de vaivém de partículas que se movem livremente sob certas condições experimentais.

Para falar de forma uma pouco mais técnica, as oscilações ocorrem quando um material é resfriado a níveis onde os comportamentos quânticos mais facilmente dominam e um campo magnético é aplicado e variado.

Aumentar e diminuir o campo magnético faz com que partículas carregadas não ligadas, como os elétrons, deslizem entre as bandas de energia conhecidas como níveis de Landau.

É uma técnica comumente usada para estudar a paisagem atômica ocupada por elétrons em um material, especificamente naqueles com propriedades metálicas.

Os isolantes são considerados coisas bem diferentes. Com seus elétrons seguindo ordens estritas para ficar em casa, as oscilações quânticas não acontecem. Pelo menos, elas não deveriam acontecer.

A equipe examinou o ditelureto de tungstênio, que é um semimetal estranho que assume propriedades de um isolante quando banhado em um campo magnético – e ficou surpreso ao ver as oscilações quânticas acontecendo.

Apesar do choque, eles têm algumas ideias sobre o que pode estar acontecendo. Enquanto uma carga fluindo tornaria este isolador um condutor (o que é um paradoxo), ter partículas neutras “fluindo” o encaixaria no papel de isolador e oscilador quântico, o que faz mais sentido.

“Nossos resultados experimentais conflitam com todas as teorias existentes baseadas em férmions carregados, mas podem ser explicados na presença de férmions de carga neutra”, acrescenta o colega Pengjie Wang.

O único problema é que férmions verdadeiramente neutros não deveriam existir, de acordo com o Modelo Padrão de Física de Partículas.

Os férmions são partículas parecidas com os ‘blocos de Lego’ da matéria, enquanto o outro tipo de partículas fundamentais são os bósons – partículas portadoras de carga.

Tradução da imagem: O Modelo Padrão da Física de Partículas (The Standard Model of Particle Physics), mostrando os férmions [partículas de máteria] (fermions [matter particles]), que incluem os quarks com seus sabores up, down, strange, charm, bottom, e top, além dos léptons (leptons), com o elétron (electron), o múon (muon), o tau, o neutrino de elétron (electron neutrino), o elétron de muón (muon neutrino) e o neutrino de tau (tau neutrino); ao lado mostrando os bósons [partículas que carregam força] (bosons [force carriers]), entre eles o gluón (gluon), o fóton (photon), os Bósons W e Z (W boson/Z boson) e o bóson de Higgs. (Créditos: ScienceAlert)

Uma partícula verdadeiramente neutra é também sua própria antipartícula – e isso é algo que vimos em bósons, mas nunca em férmions.

Portanto, encontrar um férmion verdadeiramente neutro provavelmente reescreveria nossa compreensão da física, mas não é isso que os pesquisadores pensam que está acontecendo aqui – em vez disso, eles pensam que o que detectaram é mais uma quasipartícula neutra, que é um tipo quântico de partícula híbrida.

Para entender o que é uma quasipartícula, imagine a física das partículas como uma aula de música.

Partículas fundamentais como quarks e elétrons são instrumentos individuais. Eles formam a base de uma variedade de partículas maiores, de bandas de rock de três membros, como prótons, ou de sinfonias, como átomos inteiros.

Bandas tocando em sincronia em palcos opostos podem até ser vistas como um único evento – uma quase-partícula que, para todos os efeitos, está tocando como uma só.

A estranheza quântica pode confundir as propriedades dos elétrons de forma a formar frações de sua carga nos espaços. Em outras palavras, algumas quasipartículas de elétrons carregarão alguns pedaços do elétron, como seu spin, mas não sua carga, criando efetivamente uma versão neutra de si mesmo.

Exatamente que tipo de quasipartícula está operando aqui (se houver) ainda não foi descoberto, mas os pesquisadores o estão descrevendo como um território completamente novo, não apenas na experimentação, mas na teoria.

“Se nossas interpretações estiverem corretas, estamos vendo uma forma fundamentalmente nova de matéria quântica”, disse Wu.

“Agora estamos imaginando um mundo quântico totalmente novo escondido em isoladores. É possível que simplesmente não tenhamos identificado isso nas últimas décadas.”

Os férmions neutros têm um papel potencial na melhoria da estabilidade de dispositivos quânticos, portanto, encontrar tais evidências seria mais do que uma curiosidade acadêmica, com aplicações práticas promissoras.

Ainda é cedo. Mas tantas descobertas na ciência surgiram dessas palavras atemporais: ‘O que está acontecendo aqui?’

Esta pesquisa foi publicada na Nature.