Os físicos desenvolveram uma nova teoria que reúne duas áreas principais da física quântica moderna. O trabalho explica como partículas individuais incomuns se comportam em ambientes quânticos lotados, conhecidos como sistemas de muitos corpos. Neste caso, as partículas podem atuar como objetos em movimento livre ou como objetos quase fixos em grandes massas de férmions, frequentemente chamados de mares de Fermi. Pesquisadores do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg criaram esta estrutura para explicar como as quasipartículas são formadas e conectam dois estados quânticos que antes eram considerados incompatíveis. Eles dizem que os resultados podem influenciar fortemente os experimentos em andamento sobre 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 (ou seja, 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 as partículas ao seu redor. À medida que se move, ele atrai partículas próximas, formando uma entidade combinada chamada polaron de Fermi. Embora se comporte como uma partícula única, esta quasipartícula é criada pelo movimento conjunto de impurezas e seus arredores. Eugen Dizer, estudante de doutorado na Universidade de Heidelberg, destaca que essa ideia se tornou central para a compreensão de sistemas fortemente interagentes, desde gases ultrafrios até materiais sólidos e matéria nuclear.
Quando partículas pesadas perturbam o sistema
Uma situação muito diferente surge no fenômeno conhecido como desastre da ortogonalidade de Anderson. Isso ocorre quando as impurezas são tão pesadas que são quase impossíveis de serem movidas. A sua presença altera dramaticamente os sistemas circundantes. As funções de onda dos férmions mudam tanto que perdem sua forma original, criando um fundo complexo no qual o movimento coordenado é interrompido. Nestas condições, as quasipartículas não podem ser formadas. Até agora, os físicos não têm uma teoria clara que ligue este caso extremo ao mapa móvel de impurezas. Ao aplicar uma série de ferramentas analíticas, a equipe da Heidelberg conseguiu conectar essas duas descrições dentro de uma única estrutura.
Pequenas ações trazem grandes consequências
“A estrutura teórica que desenvolvemos explica como as quasipartículas surgem em sistemas com impurezas extremamente pesadas, unindo dois paradigmas que há muito são tratados separadamente”, explica Eugen Dizer, que trabalha no grupo de Teoria Quântica da Matéria liderado pelo professor Dr. Um ponto chave por trás da teoria é que mesmo impurezas muito pesadas não são completamente estacionárias. Essas partículas sofrem pequenos movimentos à medida que o ambiente se ajusta. Estas ligeiras mudanças criam uma lacuna de energia que permite a formação de quasipartículas, mesmo em ambientes fortemente correlacionados. Os pesquisadores também mostraram que esse processo explica naturalmente a transição dos estados polarons para os estados quânticos moleculares.
Impacto em experimentos quânticos
O professor Schmidt disse que os novos resultados fornecem uma maneira flexível de descrever impurezas que podem ser aplicadas a diferentes dimensões e tipos de interação. “Nossa pesquisa não apenas melhora a compreensão teórica das impurezas quânticas, mas é diretamente relevante para experimentos em andamento com gases atômicos ultrafrios, materiais bidimensionais e novos semicondutores”, acrescentou.
O estudo faz parte do STRUCTURES Cluster of Excellence e do centro de pesquisa colaborativa ISOQUANT 1225 da Universidade de Heidelberg. Resultados de pesquisa publicados em revista Cartas de revisão física.
