Pesquisadores mostraram que uma classe incomum de estados quânticos conhecida como “mares de Fermi fracionários” pode ser criada deliberadamente, de acordo com um novo estudo publicado Carta de revisão física. O trabalho foi realizado pelo grupo de Nägerl com o físico teórico Alvise Bastianello, do CNRS e da Université Paris-Dauphine.
A pesquisa mostra como uma nova fase crítica da matéria pode surgir quando as partículas quânticas são empurradas para longe do seu estado de equilíbrio normal. Usando átomos de césio ultrafrios confinados em uma única dimensão, os pesquisadores variaram repetidamente a intensidade com que as partículas interagiam umas com as outras. O estado resultante vai além do comportamento previsto pela conhecida teoria dos fluidos de Tomonaga-Lüttinger, uma pedra angular para a compreensão de sistemas quânticos unidimensionais.
Esta publicação fornece a estrutura teórica para pesquisas experimentais recentes conduzidas no grupo de Hans-Christoph Negerl no Departamento de Física Experimental.
Criando um Mar de Fermi Fracionário
Em temperaturas muito baixas, as partículas quânticas geralmente seguem regras estritas que determinam como elas se organizam. Como explica Alvis Bastianello:
“Por exemplo, os férmions se acumulam ordenadamente nos estados de energia disponíveis para formar os chamados ‘mares de Fermi’. Mas e se forçássemos os átomos a circular continuamente através de estados extremos, mudando suavemente de se repelirem fortemente para se atrairem fortemente?”
Os investigadores descobriram que a repetição cuidadosa deste ciclo de interações move os átomos para fora do seu estado fundamental normal e para uma configuração altamente excitada, mas notavelmente organizada. Eles chamam este estado de mar de Fermi “fracionário” porque as partículas parecem obedecer a uma lei de ocupação reduzida.
“Em vez de simplesmente aquecer o sistema, o ciclo de interação reorganiza os átomos num novo estado de muitos corpos”, disse Yi Zheng, principal autor do estudo. “Isso nos dá uma maneira controlada de explorar a matéria quântica fora do paradigma de equilíbrio normal.”
Ordem oculta em um estado quântico excitado
O estado recém-formado apresenta várias características incomuns. Correlações matemáticas entre partículas revelam ondas pronunciadas, conhecidas como oscilações de Friedel, com comportamento de decaimento distinto em todos os níveis de interações repulsivas.
Talvez o mais importante seja que o estado exibe propriedades que diferem daquelas esperadas para os fluidos de Tomonaga-Luttinger, que há muito servem como descrição padrão da matéria quântica unidimensional.
“Este estado está muito entusiasmado, mas não é aleatório”, disse o líder do grupo, Hans-Christoph Negerl. “Tem uma ordem oculta que é visível nas suas correlações.”
Ele acrescentou: “Ainda não temos certeza de como nomearemos essas novas quasipartículas. Talvez ‘superférmions’?”
Uma nova fase crítica da matéria
Estas assinaturas distintivas indicam a presença de uma fase crítica inteiramente nova e exótica. A descoberta oferece um novo caminho para investigar o comportamento quântico universal usando simuladores de átomos frios.
Como diz Hans-Christoph Negerl: “A descoberta de mares de Fermi fracionários mostra até onde podemos levar as simulações quânticas: não apenas para reproduzir modelos conhecidos, mas para criar e explorar estados que transcendem paradigmas estabelecidos.”
Um artigo complementar que descreve a realização experimental de mares fracionários de Fermi por meio de simulações quânticas está atualmente em revisão.
