Uma nova teoria desenvolvida por físicos da Universidade de Heidelberg une duas ideias há muito concorrentes na física quântica, fornecendo uma explicação unificada de como uma partícula incomum se comporta em um ambiente quântico lotado. O trabalho combina duas descrições aparentemente contraditórias de uma única impureza em movimento ou quase imóvel dentro de uma grande coleção de férmions, um sistema conhecido como mar de Fermi.
A estrutura, desenvolvida por pesquisadores do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg, explica como as quasipartículas emergem e conectam dois estados quânticos anteriormente desconectados. A equipe disse que este avanço pode ter implicações importantes para experimentos que exploram a matéria quântica.
A nova teoria unifica modelos quânticos concorrentes
A física quântica de muitos corpos há muito se baseia em vários modelos para explicar como impurezas, como elétrons ou átomos externos, interagem com as partículas circundantes.
Uma imagem bem estabelecida é baseada em quasipartículas. Neste modelo, uma única impureza se move através de um mar de férmions, incluindo elétrons, prótons ou nêutrons, enquanto interage com partículas próximas. À medida que viaja, ele efetivamente carrega consigo partículas vizinhas, formando uma entidade coletiva chamada Fermi polaron. Embora se comporte como uma única partícula, esta quasipartícula é na verdade uma impureza e surge do movimento coletivo das partículas ao seu redor.
Este modelo de quasipartículas tornou-se uma ferramenta fundamental para a compreensão de sistemas fortemente interagentes, incluindo gases atômicos ultrafrios, matéria de estado sólido e matéria atômica, de acordo com Eugen Dizer, doutorando no Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg.
Resolvendo um quebra-cabeça quântico de uma década
Um quadro muito diferente surge quando a impureza é extremamente pesada e essencialmente imóvel. Nesta situação, a ortogonalidade de Anderson comporta um fenômeno denominado inversão.
Em vez de criar uma quasipartícula, a impureza pesada altera o sistema quântico de forma tão dramática que as funções de onda dos férmions circundantes perdem a sua forma original. O fundo complexo resultante impede o movimento coerente necessário para a existência de quasipartículas.
Durante décadas, os físicos careceram de uma teoria que pudesse explicar como essas duas descrições tão diferentes se encaixavam. Usando uma variedade de técnicas analíticas, a equipe da Heidelberg mostrou agora como integrar modelos de impurezas móveis e quase estacionárias em uma única estrutura teórica.
Pequenos movimentos revelam conexões ausentes
“A estrutura teórica que desenvolvemos explica como as quasipartículas emergem em sistemas com impurezas extremamente pesadas, conectando dois paradigmas que há muito são tratados separadamente”, explica Eugen Dizer, membro do Grupo de Trabalho da Teoria da Matéria Quântica liderado pelo Prof.
Os pesquisadores descobriram que mesmo as impurezas extremamente pesadas não ficam completamente imóveis. À medida que o ambiente circundante se ajusta, estas impurezas ainda se movem ligeiramente. Esses pequenos movimentos criam uma lacuna de energia que permite que as quasipartículas escapem do que de outra forma permaneceria como um fundo quântico altamente correlacionado.
A nova estrutura explica naturalmente como os sistemas quânticos fazem a transição entre os chamados estados polarônicos e moleculares.
Materiais quânticos e implicações para experimentos futuros
Segundo o professor Schmidt, a nova teoria fornece uma maneira versátil de descrever impurezas quânticas em diferentes dimensões espaciais e diferentes tipos de interações.
“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 o físico de Heidelberg.
A pesquisa foi conduzida através 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.
