Os físicos desenvolveram uma nova teoria que une duas áreas principais da física quântica moderna. O trabalho explica como uma única partícula incomum se comporta em um ambiente quântico lotado conhecido como sistema de muitos corpos. Neste cenário, uma partícula pode agir como algo que se move livremente ou como algo que permanece quase estacionário numa vasta coleção de férmions, muitas vezes referida como mar de Fermi. Pesquisadores do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg criaram essa estrutura para explicar como as quasipartículas se formam e para ligar dois estados quânticos que antes eram considerados incompatíveis. Eles dizem que os resultados podem ter um grande impacto nos experimentos em andamento em matéria quântica.
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 (por exemplo, elétrons ou átomos exóticos). 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, interagindo constantemente com aqueles ao seu redor. À medida que viaja, ele arrasta partículas próximas, criando uma entidade unificada chamada Fermi polaron. Embora se comporte como uma partícula única, esta quasipartícula surge do movimento conjunto da impureza e da sua vizinhança. Como aponta Eugen Dieser, estudante de doutorado na Universidade de Heidelberg, essa ideia tornou-se central para a compreensão de sistemas fortemente interagentes, que vão desde gases ultrafrios até sólidos e matéria nuclear.
Quando partículas pesadas perturbam o sistema
Um cenário muito diferente se manifesta em um fenômeno conhecido como catástrofe da ortogonalidade de Anderson. Isso acontece quando a impureza é tão pesada que mal se move. A sua presença altera radicalmente o sistema envolvente. As funções de onda dos férmions mudam tanto que perdem sua forma original, criando um fundo complexo onde o movimento coordenado 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 das impurezas móveis. Ao aplicar uma série de ferramentas analíticas, a equipe da Heidelberg conseguiu combinar essas duas descrições em uma única estrutura.
Pequenas ações com grandes consequências
“A estrutura teórica que desenvolvemos explica como as quasipartículas surgem em sistemas com impurezas extremamente pesadas, conectando dois paradigmas que há muito são considerados separadamente”, explica Eugen Dieser, que trabalha no grupo de teoria quântica da matéria liderado pelo Prof. Um ponto chave da teoria é que mesmo impurezas muito pesadas não são completamente imóveis. À medida que o ambiente se ajusta, essas partículas fazem pequenos movimentos. Essas pequenas mudanças criam uma lacuna de energia que possibilita a formação de quasipartículas mesmo em um meio altamente correlacionado. Os pesquisadores também mostraram que esse processo causa naturalmente a transição dos estados quânticos polarônicos para os moleculares.
Implicações para experimentos quânticos
O professor Schmidt diz que os novos resultados oferecem uma forma flexível de descrever impurezas que podem ser aplicadas em diferentes tamanhos e tipos de interações. “Nossa pesquisa não só contribui para a compreensão teórica das impurezas quânticas, mas também tem relevância direta para experimentos em andamento com gases atômicos ultrafrios, materiais bidimensionais e novos semicondutores”, acrescenta.
A pesquisa foi realizada no âmbito do Cluster de Excelência STRUCTURES da Universidade de Heidelberg e do Centro de Pesquisa Colaborativa ISOQUANT 1225. Os resultados foram publicados na revista Fichas de exame físico.
