Físicos geram um exótico estado da matéria

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/06/2023

Átomos ultrafrios manipulados por lasers transformaram-se em um líquido peculiar, onde cada átomo dança em torno dos seus companheiros.
[Imagem: Nathan Goldman]

Um bom palpite

A descoberta dos efeitos Hall quânticos, hoje largamente explorados na tecnologia eletrônica e computacional, representou a primeira demonstração prática da existência de novos estados da matéria chamados "estados de Laughlin".

O professor Robert Laughlin [1950-] idealizou algo que os físicos conhecem pela palavra alemã ansatz, significando um "palpite educado" para algo que ainda não sabemos explicar. Em 1983, os físicos estavam às voltas com uma série de experimentos para os quais não tinham explicações porque as cargas elétricas das partículas apareciam fracionadas, e não inteiras. Então Laughlin criou uma equação - uma função de onda de muitos corpos - que, adicionada à teoria, justificava aqueles resultados estranhos.

Mais tarde o palpite se mostrou correto, aquela equação "inventada" é agora conhecida como função de onda de Laughlin e ele acabou recebendo o Prêmio Nobel de Física em 1998 por isso.

Esses estados exóticos emergem em materiais 2D, em temperaturas muito baixas e na presença de um campo magnético extremamente forte. No estado de Laughlin, os elétrons formam um líquido muito peculiar, onde cada elétron dança em torno dos seus companheiros, mas evitando-os o máximo possível.

Injetar energia nesse líquido quântico gera estados coletivos que os físicos associam a partículas fictícias, cujas propriedades diferem drasticamente dos elétrons: Esses ânyons carregam uma carga fracionária (ou carga fracional, uma fração da carga elementar) e, de modo um tanto surpreendente, não se encaixam na classificação padrão das partículas, normalmente distribuídas em termos de bósons (fótons, glúons, mésons etc.) ou férmions (elétrons, prótons, quarks e neutrinos).

Mas, como é muito difícil estudar esses ânyons - a dificuldade de lidar com materiais 2D, o intenso campo magnético e as fortes correlações entre as partículas - os físicos vêm tentando criar estados de Laughlin em outros tipos de sistemas. Todos os esforços, contudo, haviam sido infrutíferos até agora.

O palpite foi bem mais do que simplesmente "educado".
[Imagem: Julian Léonard et al. - 10.1038/s41586-023-06122-4]

Estado de Laughlin

Julian Léonard e colegas da Universidade de Harvard, nos EUA, acabam de conseguir criar pela primeira vez um estado de Laughlin usando átomos neutros ultrafrios manipulados por lasers, um aparato bem conhecido dos físicos, e usado até mesmo em alguns tipos de computadores quânticos.

O experimento consiste em aprisionar alguns átomos em uma caixa óptica e implementar os ingredientes necessários para a criação desse estado exótico: Um forte campo magnético e fortes interações repulsivas entre os átomos.

Usando um poderoso microscópio de gás quântico, os pesquisadores conseguiram visualizar os átomos um a um, demonstrando a dança peculiar das partículas, que orbitam umas em torno das outras, bem como a natureza fracionária do estado atômico de Laughlin.

Este experimento abre as portas para um novo e amplo campo de exploração dos estados de Laughlin e seus primos (por exemplo, o chamado estado de Moore-Read) em simuladores quânticos. E é mais uma demonstração de uma "matemática que virou realidade".

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