Criado primeiro condensado de Bose-Einstein de quasipartículas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/10/2022

As quasipartículas assumiram todas o mesmo estado quântico, comportando-se como se fossem um gigantesco "quasiátomo".
[Imagem: Yusuke Morita et al. - 10.1038/s41467-022-33103-4]

Quase-CBE

Físicos criaram o primeiro condensado de Bose-Einstein feito de quasipartículas, entidades que não contam como partículas elementares, mas que ainda podem ter propriedades de partículas elementares, como carga e spin.

Os condensados de Bose-Einstein, ou CBEs, são conhecidos como o quinto estado da matéria, ao lado de sólidos, líquidos, gases e plasmas. De fato, são talvez o estado mais estranho da matéria, com muito sobre eles permanecendo desconhecido pela ciência.

Previstos teoricamente no início do século 20 por Albert Einstein e Satyendra Bose, os condensados só foram criados em laboratório em 1995. Eles se formam quando um grupo de átomos, tipicamente de rubídio, é resfriado a apenas milionésimos de graus acima do zero absoluto. Nessa temperatura, todos os átomos passam a se comportar como um só, compartilhando o mesmo estado quântico, quase como os fótons em um laser - por isso o condensado de Bose-Einstein também é conhecido como "átomo artificial" ou "superátomo".

Há décadas os físicos discutem se seria possível forçar quasipartículas a passar pelo processo de condensação de Bose-Einstein, e Yusuke Morita e colegas da Universidade de Tóquio acabam de demonstrar que sim, é possível.

Quasipartículas

A maioria dos CBEs é produzida a partir de gases diluídos de átomos comuns, de modo que havia um grande esforço para criar um CBE feito de átomos exóticos.

Átomos exóticos são átomos nos quais uma partícula subatômica, como um elétron ou um próton, é substituída por outra partícula subatômica com a mesma carga. O positrônio, por exemplo, é um átomo exótico feito de um elétron e sua antipartícula carregada positivamente, um pósitron.

Outro exemplo é o exciton: Quando a luz atinge um semicondutor, a energia é suficiente para "excitar" os elétrons a saltar do nível de valência de um átomo para o nível de condução. Esses elétrons excitados então fluem livremente em uma corrente elétrica - essencialmente transformando a energia da luz em energia elétrica.

Quando o elétron, carregado negativamente, realiza esse salto, o espaço deixado para trás, ou lacuna, pode ser tratado como se fosse uma partícula carregada positivamente. O elétron negativo e a lacuna positiva são atraídos e ficam ligados, sem se aniquilarem imediatamente.

É este par elétron-lacuna que constitui uma quasipartícula, eletricamente neutra, chamada exciton. E os excitons vêm em dois sabores: ortoexcitons, nos quais o spin do elétron é paralelo ao spin de sua lacuna, e paraexcitons, nos quais o spin do elétron é antiparalelo (paralelo, mas na direção oposta) ao de sua lacuna.

Foi este último tipo, o paraexciton, que a equipe usou para formar o primeiro condensado de Bose-Einstein de quasipartículas porque ele tem um tempo de vida longo o suficiente para poder ser resfriado até próximo do zero absoluto.

Este é o aparato real, que é posto dentro de um refrigerador de diluição.
[Imagem: Yusuke Morita et al. - 10.1038/s41467-022-33103-4]

CBE de quasipartículas

A equipe criou os paraexcitons em um filme de óxido cuproso (Cu₂O), um composto de cobre e oxigênio de grande interesse tecnológico, da fotossíntese artificial aos computadores quânticos de luz.

Gerados no Cu₂O, os paraexcitons chegaram a 64 milikelvins dentro de um refrigerador de diluição, do mesmo tipo usado para manter os processadores quânticos. A equipe conseguiu fazer medições de precisão, incluindo a densidade e a temperatura dos excitons, o que permitiu traçar as diferenças e semelhanças entre o CBE de quasipartículas e o CBE atômico regular.

Atualmente, os CBEs continuam sendo objeto de pesquisas básicas e para simular sistemas de matéria condensada, mas, em princípio, eles têm aplicações no processamento de informações quânticas. A computação quântica, ainda nos estágios iniciais de desenvolvimento, faz uso de vários sistemas diferentes, todos dependendo de qubits, que estão no mesmo estado quântico, e os CBEs cumprem esse requisito.

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