Tradicionalmente, os físicos dividem todas as partículas fundamentais do universo tridimensional em duas categorias: bósons e férmions. Os bósons consistem principalmente em partículas portadoras de força, como os fótons, enquanto os férmions constituem a matéria comum, incluindo elétrons, prótons e nêutrons.
Esta divisão simples começa a falhar em sistemas de baixa dimensão. Desde a década de 1970, os cientistas previram a existência de um terceiro tipo de partícula, chamada anyon, que está em algum lugar entre os bósons e os férmions. Em 2020, os pesquisadores observaram experimentalmente essas partículas incomuns nas fronteiras de semicondutores super-resfriados, fortemente magnetizados e com espessura de um único átomo (ou seja, bidimensionais).
Agora, cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) e da Universidade de Oklahoma levaram a ideia um passo adiante. Em dois artigos publicados em Revisão Física Aa equipe identificou um sistema unidimensional capaz de suportar qualquer pessoa e estudou o comportamento teórico das partículas.
Avanços recentes no controle de partículas únicas em sistemas de átomos ultrafrios também podem permitir que essas ideias sejam testadas em experimentos reais de laboratório.
“Cada partícula em nosso universo parece cair estritamente em uma de duas categorias: um bóson ou um férmion. Por que não existem outros?” perguntou o professor Thomas Busch, da Divisão de Sistemas Quânticos do OIST. “Com este trabalho, abrimos agora a porta para melhorar a nossa compreensão das propriedades fundamentais do mundo quântico, e é muito emocionante ver aonde a física teórica e experimental nos leva.”
Por que as partículas quânticas se enquadram em duas categorias
A diferença entre bósons e férmions vem do que acontece quando duas partículas idênticas trocam de lugar. Em três dimensões, o experimento mostra apenas dois resultados. Ou o sistema permanece o mesmo, que é o que os bósons fazem, ou o sistema muda de sinal, que é o que acontece com os férmions. Parece não haver outra possibilidade.
Esse comportamento está relacionado a um dos princípios mais importantes da física quântica: a indistinguibilidade. Na vida cotidiana, dois objetos idênticos ainda podem ser distinguidos. Por exemplo, se duas bolinhas de gude forem pintadas com cores diferentes, você poderá rastrear qual bolinha se move para onde. Não é assim que as partículas quânticas funcionam.
Se todas as propriedades quânticas de duas partículas idênticas (por exemplo, elétrons) corresponderem, elas não poderão ser rotuladas individualmente. Trocá-los produz um estado que é fisicamente indistinguível do estado original, o que significa que as propriedades mensuráveis do sistema devem permanecer inalteradas.
Raúl Hidalgo-Sacoto, aluno de doutoramento na unidade OIST, explica: “Como esta troca equivale a não fazer nada, as estatísticas matemáticas que regem este evento (chamado factor de troca) devem obedecer a uma regra simples: o quadrado do factor de troca deve ser igual a 1. Os únicos dois números que satisfazem esta regra são +1 e -1.
Estas duas famílias de partículas comportam-se de forma muito diferente. Os bósons naturalmente se aglomeram e se comportam coletivamente. Os lasers são um exemplo, onde fótons do mesmo comprimento de onda (cor) se movem em sincronia. Os condensados de Bose-Einstein são outro tipo, onde átomos ultrafrios ocupam o mesmo estado quântico.
Os férmions se comportam de maneira oposta. Elétrons, prótons e nêutrons recusam-se a compartilhar o mesmo estado. Esta propriedade é uma das razões pelas quais a tabela periódica contém tantos elementos diferentes.
Como as dimensões inferiores mudam as regras quânticas
Se a natureza só permite a existência de dois tipos de partículas em três dimensões, por que as dimensões inferiores podem produzir algo diferente?
A resposta está em como as partículas se movem umas em torno das outras. Em sistemas de dimensões inferiores, as partículas têm menos caminhos disponíveis. À medida que trocam de lugar, suas trajetórias se entrelaçam no espaço e no tempo. Ao contrário do espaço tridimensional, esses caminhos não podem ser facilmente esclarecidos após o fato. Como resultado, o estado trocado não é mais equivalente ao estado original.
Hidalgo-Saccoto continuou: “Em dimensões inferiores, esta troca não é mais topologicamente equivalente a não fazer nada. Para satisfazer a lei da indistinguibilidade, precisamos de uma gama contínua de fatores de troca para explicar a troca, dependendo das voltas e reviravoltas exatas do caminho.”
Isso abre a porta para anyons, partículas cujos fatores de troca podem assumir valores diferentes de +1 ou -1. Em outras palavras, eles não são bósons puros nem férmions puros.
Unidimensional ajustável em qualquer lugar
Numa investigação recentemente publicada, os investigadores demonstram que mesmo num sistema unidimensional, a divisão bóson-férmion ainda está quebrada. Eles também descobriram algo particularmente interessante: os fatores de troca em sistemas unidimensionais podem ser ajustados diretamente.
Numa dimensão, as partículas não podem mover-se umas em torno das outras para trocar de lugar. Em vez disso, eles devem passar diretamente um pelo outro. Os pesquisadores dizem que isso muda fundamentalmente o comportamento de troca em comparação com dimensões superiores.
Estudos demonstraram que os fatores de troca nesses sistemas estão relacionados à força das interações de curto alcance entre as partículas. Isso significa que os cientistas poderiam potencialmente ajustar experimentalmente as estatísticas de câmbio, criando oportunidades para explorar uma variedade de novos fenômenos quânticos.
“Não apenas estabelecemos a possibilidade de anyons unidimensionais, mas também mostramos como mapear as suas estatísticas de troca e, de forma interessante, como observar as suas propriedades através de distribuições de momento”, concluiu o professor Bush. “A configuração experimental necessária para fazer estas observações já existe. Estamos entusiasmados para ver quais descobertas futuras serão feitas nesta área e o que isso pode nos dizer sobre a física fundamental do universo.”
