Os físicos tradicionalmente organizaram todas as partículas elementares do nosso universo tridimensional em duas categorias: bósons e férmions. Os bósons incluem principalmente partículas que transportam energia, como fótons, enquanto os férmions constituem a matéria comum, incluindo elétrons, prótons e nêutrons.
Essa simples divisão começa a desmoronar nos sistemas dimensionais inferiores. Desde a década de 1970, os cientistas previram a existência de um terceiro tipo de partícula conhecida como ânions, que fica em algum lugar entre os bósons e os férmions. Em 2020, os pesquisadores observaram experimentalmente essas partículas incomuns na fronteira de um semicondutor super-resfriado, fortemente magnetizado e com a espessura de um átomo (ou seja, bidimensional).
Agora, cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) e da Universidade de Oklahoma levaram a ideia adiante. Em dois artigos de pesquisa publicados No exame físicoA equipe identificou um sistema unidimensional capaz de suportar qualquer um e investigou o comportamento teórico das partículas.
Avanços recentes no controle de partículas individuais dentro de sistemas nucleares ultrafrios podem tornar esses conceitos testáveis em experimentos reais de laboratório.
“Cada partícula em nosso universo parece se enquadrar estritamente em duas categorias: bosônica ou fermiônica. Por que não existem outras?” pergunta o professor Thomas Busch da Unidade de Sistemas Quânticos do OIST. “Com estes trabalhos, abrimos agora a porta para melhorar a nossa compreensão das propriedades fundamentais do mundo quântico, e é emocionante ver onde a física teórica e experimental nos leva a partir daqui.”
Por que as partículas quânticas se enquadram em dois grupos?
A diferença entre bósons e férmions está no que acontece quando duas partículas idênticas trocam de lugar. Em três dimensões, os testes mostram apenas dois resultados. Ou o sistema permanece inalterado, que é o comportamento dos bósons, ou o sistema muda de sinal, o que acontece com os férmions. Nenhuma outra possibilidade parece existir.
Esse comportamento está ligado a um dos princípios mais importantes da física quântica: a singularidade. Na vida cotidiana, dois objetos idênticos ainda podem ser distinguidos. Se duas bolinhas de gude forem pintadas com cores diferentes, por exemplo, você poderá rastrear qual delas se moveu para onde. Partículas quânticas não funcionam dessa maneira.
Duas partículas idênticas, como os elétrons, não podem ser rotuladas separadamente se todas as suas propriedades quânticas corresponderem. Trocá-los cria um estado que é fisicamente indistinguível do estado verdadeiro, o que significa que as propriedades mensuráveis do sistema devem permanecer inalteradas.
Raúl Hidalgo-Sacoto, aluno de doutoramento na unidade OIST, explicou: “Como esta troca não equivale a nada, a estatística matemática que rege o acontecimento conhecido como factor de troca deve obedecer a uma regra geral: o quadrado do factor de troca deve ser igual a 1. Os únicos dois números que satisfazem esta regra, e porque esta regra não tem parte de +1, são +1.
Estas duas famílias de partículas comportam-se de forma muito diferente. Os bósons naturalmente se agregam e se comportam coletivamente. Os lasers são um exemplo, onde fótons do mesmo comprimento de onda (cor) se movem em sincronia. Os condensados de Bose-Einstein são outros átomos ultrafrios que ocupam o mesmo estado quântico.
Os férmions se comportam de maneira oposta. Elétrons, prótons e nêutrons resistem a compartilhar o mesmo estado. Essa característica é um dos motivos pelos quais a tabela periódica contém muitos elementos diferentes.
Como os níveis baixos mudam as regras quânticas
Se a natureza permite apenas dois tipos de partículas em três dimensões, por que as dimensões inferiores podem criar algo diferente?
A resposta está em como as partículas se movem umas em torno das outras. Em sistemas de baixa dimensão, as partículas têm menos caminhos possíveis. À medida que trocam de lugar, suas trajetórias se fundem no espaço e no tempo. Ao contrário das três dimensões, esses caminhos não podem ser simplesmente resolvidos posteriormente. Como resultado, o estado trocado não é mais equivalente ao original.
Hidalgo-Sacoto continua: “Em níveis baixos, esta troca é topologicamente equivalente a nada mais. Para satisfazer a lei da unicidade, precisamos de fatores de troca em uma faixa contínua, que dependem das curvas e curvas exatas do caminho.”
Isso abre a porta para quaisquer partículas cujos fatores de troca possam assumir valores além de apenas +1 ou -1. Em outras palavras, eles não são puramente bósons nem puramente férmions.
Anyons ajustáveis a uma dimensão
No estudo recém-publicado, os pesquisadores mostraram que a divisão bóson-férmion é interrompida mesmo em sistemas unidimensionais. Eles descobriram algo particularmente interessante: o fator de troca em sistemas 1D pode ser ajustado diretamente.
Numa dimensão, as partículas não podem mover-se umas em torno das outras para trocar de lugar. Em vez disso, eles devem passar um pelo outro. Segundo os pesquisadores, altera o comportamento metabólico de forma fundamental em comparação com doses mais elevadas.
Estudos mostram que o fator de troca desses sistemas está relacionado à força das interações de curto alcance das partículas. Isto significa que os cientistas podem ajustar experimentalmente as estatísticas de troca, criando oportunidades para explorar uma ampla gama de novos fenómenos quânticos.
“Não só identificámos a possibilidade da existência de átomos unidimensionais, mas também mostrámos como mapear as suas estatísticas de troca e, de forma emocionante, como observar a sua natureza através das suas distribuições de momento”, resume o professor Bush. “As configurações experimentais necessárias para fazer essas observações já existem. Estamos entusiasmados em ver o que as futuras descobertas nesta área levarão e o que elas podem nos dizer sobre a física fundamental do nosso universo.”
