Físicos descobrem um novo estado da matéria oculto no mundo quântico: WebCuriosos

Você está familiarizado com os estados da matéria que encontramos diariamente – como sólido, líquido e gasoso – mas em condições mais exóticas e extremas, novos estados podem aparecer, e cientistas dos EUA e da China encontraram um no início deste ano.

Eles o chamam de estado quiral bose-líquido e, como acontece com cada novo arranjo de partículas que descobrimos, ele pode nos dizer mais sobre a estrutura e os mecanismos do Universo que nos rodeia – e, em particular, no superpequeno sistema quântico. escala.

Os estados da matéria descrevem como as partículas podem interagir umas com as outras, dando origem a estruturas e vários modos de comportamento. Fixe os átomos no lugar e você terá um sólido. Deixe-os fluir, você tem um líquido ou gás. Separe as parcerias carregadas, você terá um plasma.

A paisagem quântica oferece formas ainda mais estranhas de interação das partículas, permitindo comportamentos únicos, melhor descritos em termos de possibilidade e energia.

Os pesquisadores descobriram o novo estado através de um sistema quântico frustrado. Em termos simples, é um sistema com restrições integradas que evitam que as partículas interajam como normalmente fariam (daí a frustração).

Estas restrições – e a frustração resultante – podem criar resultados entusiasmantes para os cientistas. Aqui, os pesquisadores se concentraram nos elétrons e usaram a analogia de um jogo de festa para explicar o que estava acontecendo.

“É como um jogo de cadeiras musicais, projetado para frustrar os elétrons”, disse o físico teórico da matéria condensada Tigran Sedrakyan, da Universidade de Massachusetts Amherst.

“Em vez de cada elétron ter uma cadeira para onde ir, eles agora devem se embaralhar e ter muitas possibilidades onde se sentam.”

O sistema que os pesquisadores montaram foi um dispositivo semicondutor com duas camadas: uma camada superior rica em elétrons e uma camada inferior com muitos buracos disponíveis para os elétrons se moverem naturalmente. A reviravolta? Não há lacunas suficientes para todos os elétrons.

Embora este tipo de sistema continue difícil de observar, a equipe usou um campo magnético ultraforte para medir como os elétrons se moviam, revelando a primeira evidência do novo estado quiral bose-líquido.

“Na borda da bicamada semicondutora, elétrons e buracos se movem com as mesmas velocidades”, disse o físico Lingjie Du, da Universidade de Nanjing, na China.

“Isso leva a um transporte helicoidal, que pode ser ainda modulado por campos magnéticos externos, à medida que os canais de elétrons e buracos são gradualmente separados sob campos mais elevados.”

Este novo estado revelou algumas propriedades bastante interessantes. Por exemplo, os elétrons congelarão em um padrão previsível e em uma direção de rotação fixa no zero absoluto e não poderão sofrer interferência de outras partículas ou campos magnéticos. Essa estabilidade poderia ter aplicações em sistemas de armazenamento digital de nível quântico.

Além do mais, as partículas externas que afetam um elétron podem afetar todos os elétrons do sistema, graças ao emaranhamento quântico de alcance relativamente longo. É como acertar uma bola branca em um pacote de bolas de bilhar e, em resposta, todas essas bolas viajarem na mesma direção – outra descoberta que pode ser útil.

Embora tudo isso envolva física de alto nível, cada descoberta como essa – essas peculiaridades e casos extremos que acontecem fora dos limites das interações comuns de partículas – nos aproxima de uma compreensão completa do nosso mundo.

“Você encontra estados quânticos da matéria nessas periferias, e eles são muito mais selvagens do que os três estados clássicos que encontramos em nossas vidas cotidianas”, disse Sedrakyan.

A pesquisa foi publicada em Natureza.

Uma versão deste artigo foi publicada pela primeira vez em junho de 2023.