Uma nova teoria desenvolvida por físicos da Universidade de Heidelberg reúne duas ideias há muito concorrentes na física quântica, oferecendo uma explicação unificada de como uma partícula incomum se comporta em um ambiente quântico lotado. O trabalho conecta duas descrições aparentemente opostas de uma única impureza movendo-se ou permanecendo quase estacionária em uma grande coleção de férmions, um sistema conhecido como mar de Fermi.
A estrutura, criada por pesquisadores do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg, explica como surgem as quasipartículas e liga dois estados quânticos anteriormente desconectados. A equipe diz que esse avanço pode ter implicações importantes para experimentos que estudam 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 exóticos, 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, interagindo com partículas próximas. À medida que viaja, ele carrega consigo partículas vizinhas, criando uma entidade unificada chamada polaron de Fermi. Embora se comporte como uma partícula única, esta quase-partícula surge, na verdade, do movimento coletivo da impureza e 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, sólidos e matéria nuclear, de acordo com Eugen Dieser, estudante de doutorado no Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg.
Resolvendo um quebra-cabeça quântico de uma década
Um quadro completamente diferente surge quando a impureza é extremamente pesada e praticamente não consegue se mover. Nessa situação, ocorre um fenômeno denominado catástrofe da ortogonalidade de Anderson.
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 coordenado necessário para a existência de quasipartículas.
Durante décadas, os físicos careceram de uma teoria que pudesse explicar como essas duas descrições tão diferentes se combinam. Usando uma série de técnicas analíticas, a equipe da Heidelberg mostrou como modelos de impurezas móveis e quase imóveis podem ser combinados em uma única estrutura teórica.
Pequenos movimentos revelam uma conexão perdida
“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, membro do Grupo de Trabalho de Teoria Quântica da Matéria liderado pelo Prof.
Os pesquisadores descobriram que mesmo as impurezas extremamente pesadas não são completamente imóveis. À medida que o ambiente se ajusta, estas impurezas ainda estão sujeitas a pequenos movimentos. Esses pequenos movimentos criam uma lacuna de energia que permite que quasipartículas emerjam do que de outra forma permaneceria como um fundo quântico altamente correlacionado.
A nova estrutura também explica naturalmente como os sistemas quânticos fazem a transição entre os chamados estados polarônicos e moleculares.
Implicações para materiais quânticos e experimentos futuros
Segundo o professor Schmidt, a nova teoria fornece uma forma universal de descrever impurezas quânticas em diferentes dimensões espaciais e uma ampla gama de interações.
“Nossa pesquisa não apenas expande 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 o físico de Heidelberg.
A pesquisa foi realizada pelo STRUCTURES Cluster of Excellence da Universidade de Heidelberg e pelo Collaborative Research Center ISOQUANT 1225. Os resultados foram publicados na revista Revisão de planilhas físicas.
