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LHC para quasipartículas desvendará matéria sólida

Colisor de quasipartículas desvendará matéria sólida
Elétrons (azul) e lacunas (vermelho) colidiram dentro de um cristal de disseleneto de tungstênio (estrutura na parte inferior). Após a colisão, a energia adquirida durante a aceleração é emitida em fótons de alta energia (raios coloridos) que guardam informações fundamentais sobre o cristal.[Imagem: Fabian Langer/Universidade de Regensburg]

Colisor de estado sólido

A viabilidade de construção de um colisor de estado sólido que choca quasipartículas acaba de ser demonstrada por Fabian Langer (Universidade de Regensburg - Alemanha) e uma equipe internacional de pesquisadores.

A diferença com os colisores de partículas, como o LHC, é que esses futuros laboratórios deverão ser pequenos e funcionarão em matéria sólida, e não na forma de feixes de partículas que se chocam.

Os colisores de partículas estão permitindo desvendar o funcionamento da matéria, como ocorreu recentemente com a descoberta do bóson de Higgs.

Contudo, apesar do fato de que toda a tecnologia moderna depende do conhecimento das propriedades estruturais e eletrônicas de materiais sólidos - os semicondutores, por exemplo -, até agora não existe um equivalente de estado sólido para um colisor em nível atômico.

Quasipartículas

Dentro de um sólido, os análogos mais úteis das partículas, como os prótons, são as chamadas quasipartículas, entidades que ficam a meio caminho entre a matéria e a luz, como os fônons, os sólitons, os excitons e os topolaritons.

Para entender do que se trata uma quasipartícula, imagine que, se cada torcedor em um estádio for como um átomo em um sólido, então a quasipartícula é a onda que a torcida faz quando os torcedores se levantam e se sentam em sincronia. Essas ondulações estão na base de tecnologias como a plasmônica e seus chips à velocidade da luz, novas formas de converter luz em eletricidade, e de um tipo muito especial de laser, chamado spaser, apenas para citar alguns exemplos.

Experimentos anteriores já permitiram acelerar quasipartículas como os excitons - pares de elétrons e lacunas (vacâncias de elétron) ligados pela força elétrica - usando raios laser, mas até agora ninguém havia conseguido fazer duas quasipartículas se chocarem.

Colisor de quasipartículas desvendará matéria sólida
Os promissores skyrmions e os isolantes topológicos poderão ter seus segredos desvendados nos aceleradores de estado sólido. [Imagem: Dustin Gilbert / NIST]

Pulsos terahertz

O feito foi conseguido usando uma fonte de laser única no mundo, localizada no Laboratório Terahertz em Regensburg, na Alemanha. Como as quasipartículas têm um tempo de vida extremamente curto, é crucial trabalhar em escalas de tempo ultracurtas - se um segundo fosse esticado para a idade do universo, uma quasipartícula não duraria mais do que algumas horas.

O pulso de laser na frequência dos terahertz acelerou os pares de elétrons e lacunas (excitons) em um prazo mais curto do que uma única oscilação da luz - 1 terahertz equivale a 1 trilhão de oscilações por segundo. O experimento foi feito em uma fina pastilha de disseleneto de tungstênio, um material promissor que já foi usado até para construir um transístor quântico.

Quando os excitons se chocam, eles emitem rajadas ultracurtas de luz que codificam as principais propriedades do sólido no qual a colisão ocorre.

"Estes experimentos temporizados de colisão em um sólido provam que os conceitos básicos dos colisores, que transformaram a nossa compreensão do mundo subatômico, podem ser transferidos da física de partículas para a pesquisa de estado sólido. Eles também lançam uma nova luz sobre as quasipartículas," disse o professor Mark Sherwin, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos EUA.

Bibliografia:

Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale
F. Langer, M. Hohenleutner, C. P. Schmid, C. Poellmann, P. Nagler, T. Korn, C. Schüller, M. S. Sherwin, U. Huttner, J. T. Steiner, S. W. Koch, M. Kira, R. Huber
Nature
Vol.: 533, 225-229
DOI: 10.1038/nature17958




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