Os físicos desenvolveram uma nova teoria que une duas áreas principais da física quântica moderna. O trabalho explica como uma única partícula anômala 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 está quase estacionário dentro de uma grande coleção de férmions, muitas vezes chamada de mar de Fermi. Pesquisadores do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg desenvolveram esta estrutura para entender como as quasipartículas se formam e para ligar dois estados quânticos que antes eram considerados incompatíveis. Eles dizem que as descobertas podem influenciar fortemente os experimentos em andamento com materiais quânticos.
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 (ou seja, elétrons ou átomos estranhos). 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 o ambiente. À medida que viaja, ele arrasta consigo partículas próximas, formando uma entidade coletiva chamada Fermi polaron. Embora se comporte como uma única partícula, esta quasipartícula surge da impureza e do momento partilhado do seu entorno. Como aponta Eugen Dizer, doutorando na Universidade de Heidelberg, esse conceito tornou-se central para a compreensão de sistemas fortemente interagentes, desde gases ultrafrios até sólidos e matéria nuclear.
Quando partículas pesadas perturbam o sistema
Um cenário muito diferente ocorre em um fenômeno conhecido como catástrofe da ortogonalidade de Anderson. Isso acontece quando uma impureza é tão pesada que mal se move. Sua presença altera dramaticamente o sistema circundante. As funções de onda dos férmions variam tão drasticamente que perdem sua forma original, criando um fundo complexo onde o movimento coerente é interrompido. Nestas condições, as quasipartículas não podem se formar. Até agora, os físicos não tinham uma teoria clara que ligasse este caso extremo à imagem desfocada no telemóvel. Ao aplicar uma série de ferramentas analíticas, a equipe da Heidelberg conseguiu combinar essas duas narrativas em uma única estrutura.
Ritmo pequeno com grandes resultados
“A estrutura teórica que desenvolvemos explica como as quasipartículas emergem em sistemas com impurezas muito pesadas, 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 ponto chave por trás da teoria é que mesmo impurezas muito pesadas não são perfeitamente estáveis. Essas partículas sofrem pequenos movimentos à medida que se ajustam ao ambiente. 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 do estado polarônico para o estado quântico molecular.
Implicações para experimentos quânticos
O professor Schmidt disse que as novas descobertas 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 é diretamente relevante para experimentos em andamento com gases atômicos ultrafrios, materiais bidimensionais e novos semicondutores”, acrescentou.
A pesquisa foi conduzida como parte do Structure Cluster of Excellence da Universidade de Heidelberg e do ISOQuant Collaborative Research Center 1225. Os resultados foram publicados na revista Carta de revisão física.
