Os pesquisadores do HZB deram um passo importante para aproximar uma das previsões mais incomuns da física quântica da realidade experimental. Frectons, quasipartículas exóticas que foram previstas pela primeira vez em líquidos de spin quântico usando teorias de campo de calibre altamente generalizadas, agora também apareceram em simulações de modelos quânticos de estado sólido mais realistas.
As quasipartículas surgem do comportamento coletivo de muitas partículas interagindo dentro de um sólido. Por exemplo, as vibrações que se movem através de uma rede cristalina podem ser descritas como quasipartículas chamadas fônons.
Os fractanos são muito mais incomuns. Eles parecem ter diferentes arranjos de spin nos cantos das paredes do domínio magnético, e sua característica definidora é sua mobilidade extremamente limitada. Um único fracton é essencialmente incapaz de se mover por si só e só pode mover-se através de interacções com outros fractons.
Essa restrição poderia ser potencialmente útil. Como os fractons são tão difíceis de mover, os investigadores propuseram que estes poderiam fornecer uma forma de armazenar informação quântica de forma mais fiável.
Os físicos previram que os spins quânticos do fracton podem ocorrer em uma ampla variedade de sistemas, incluindo líquidos. Estes são estados incomuns da matéria em cristais, onde os momentos magnéticos dos eletrões nunca estão dispostos numa disposição definida, mesmo a 0° K. Em vez disso, continuam a flutuar de uma forma semelhante ao movimento constante dos átomos num líquido.
Trazendo frações para um modelo mais realista
Até agora, as frações previstas em líquidos de spin quântico não foram observadas diretamente em experimentos. Até agora, as previsões teóricas dessas partículas baseavam-se em teorias de campo de calibre altamente generalizadas (teorias de calibre U(1) de classificação 2).
Um estudo liderado pelo professor Johannes Reuther e pelo Dr. Nils Niggemann aproximou agora a ideia dos testes experimentais, mostrando que os fractais também podem surgir em modelos mais realistas de sólidos quânticos.
Ao contrário dos modelos clássicos, estas simulações levam em conta efeitos quânticos. No entanto, o trabalho realizado anteriormente pelo grupo de pesquisa enfrentou um grande problema. Quando os efeitos quânticos eram muito fortes, os fratons desapareciam. Quando eram muito fracas, as frações só podiam existir como partículas clássicas, sem qualquer comportamento quântico real.
Ao melhorar a forma como o modelo representa as interações entre os spins, os pesquisadores conseguiram superar essa dificuldade. Suas novas simulações numéricas fornecem evidências de que a fase desejada da matéria pode existir sob condições quânticas mais realistas.
Da teoria quântica à investigação experimental
“Ao modelar esta complexa interação de spin, nos beneficiamos de trocas pessoais com colegas do HZB em física experimental do estado sólido”, disse Johannes Reuther.
O próximo desafio é identificar ou criar sistemas físicos reais que reproduzam as condições consideradas nos modelos teóricos. Isso poderia permitir que os pesquisadores testassem experimentalmente se os fratons previstos realmente aparecem.
O simulador de átomos de Rydberg é uma plataforma potencial para tal experimentação e pode, em última análise, fornecer um caminho promissor para a detecção dessas esquivas quasipartículas quânticas.
