Quasipartículas aparecem em cenário clássico, surpreendendo físicos

Pesquisadores observaram quasipartículas em um sistema clássico à temperatura ambiente pela primeira vez, desafiando a visão de que quasipartículas só podem existir em matéria quântica. A descoberta, feita em um fino canal fluídico contendo micropartículas em fluxo, sugere que os conceitos básicos da física quântica da matéria podem ser aplicáveis ​​às configurações clássicas.

As partículas em muitos sólidos e líquidos encontram-se muito próximas umas das outras e, portanto, interagem fortemente. Isto torna esses sistemas de “muitos corpos”, como são chamados, difíceis de estudar e compreender. Em 1941, o físico soviético Lev Landau apresentou uma solução para esta situação complicada: em vez de considerar a ideia complexa de partículas que interagem fortemente, porque não pensar nas excitações do sistema?

“Se essas excitações são localizadas e raramente colidem umas com as outras, podemos considerá-las como 'partículas efetivas' de interação fraca, ou quasipartículas”, explica Tsvi Tlusty do Institute for Basic Science (IBS) na Coréia, que liderou o novo estudo. “O avanço conceitual de Landau tem sido imensamente útil na pesquisa de matéria quântica, fornecendo informações sobre muitos fenômenos emergentes, como emparelhamento de elétrons em supercondutividade e superfluidez e, recentemente, fluxo de elétrons em grafeno.”

Demasiadas colisões

Até agora, as quasipartículas foram consideradas apenas como objetos da mecânica quântica. Na matéria condensada clássica, a taxa de colisão das excitações é tipicamente alta demais para permitir excitações semelhantes a partículas de vida longa. “Nossas descobertas são um avanço porque, em contraste com esse paradigma, observamos 'quasipartículas de Dirac' em um sistema hidrodinâmico clássico”, diz Tlusty Mundo da física.

No novo trabalho, Tlusty junto com o colega Hyuk Kyu Pak e o estudante Imran Saeed estudou conjuntos de micropartículas impulsionadas pelo fluxo de água em um canal microfluídico muito fino. Os pesquisadores descobriram que o movimento das partículas perturba as linhas de fluxo do fluxo de água ao seu redor. As partículas induzem assim forças hidrodinâmicas umas nas outras.

Partículas “anti-newtonianas”

“Peculiarmente, as forças entre duas partículas são 'anti-Newtonianas' – ou seja, são iguais em magnitude e direção, em contraste com a lei de Newton, que afirma que as forças mútuas devem se opor”, explica Tlusty. “A consequência imediata dessa simetria é o surgimento de pares estáveis ​​que fluem juntos na mesma velocidade.”

O resultado implica que os pares são quasipartículas clássicas, ou excitações de longa duração no sistema hidrodinâmico. Os pesquisadores confirmaram sua hipótese analisando as vibrações (ou fônons) em cristais bidimensionais hidrodinâmicos contendo uma matriz periódica de milhares de partículas. Eles descobriram que os fônons exibem “cones de Dirac”, muito parecidos com os observados no grafeno (uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura) no qual emergem pares de partículas.

Os cones de Dirac são recursos quânticos na estrutura de banda eletrônica de um material 2D onde as bandas de condução e valência se encontram em um único ponto no nível de Fermi. As bandas se aproximam deste ponto de forma linear, o que significa que as energias cinéticas efetivas dos elétrons de condução (e buracos) são diretamente proporcionais aos seus momentos. Essa relação incomum normalmente é vista apenas para fótons, que não têm massa, porque as energias dos elétrons e outras partículas da matéria em velocidades não relativísticas geralmente dependem do quadrado de seus momentos. O resultado é que os elétrons nos cones de Dirac se comportam como se fossem partículas relativísticas sem massa de repouso, viajando através do material em velocidades extremamente altas.

Bandas planas fortemente correlacionadas

A equipe do IBS também observou “bandas planas” – outro fenômeno quântico em que o espectro de energia dos elétrons contém fônons ultralentos que estão correlacionados de forma extremamente forte. Bandas planas foram recentemente descobertas em bicamadas de grafeno torcidas umas em relação às outras em um determinado ângulo. Essas bandas são estados de elétrons nos quais não há relação entre a energia e a velocidade dos elétrons e são especialmente interessantes para os físicos porque os elétrons ficam “sem dispersão” nelas – ou seja, sua energia cinética é suprimida. À medida que os elétrons desaceleram quase até parar, sua massa efetiva se aproxima do infinito, levando a fenômenos topológicos exóticos, bem como a estados da matéria fortemente correlacionados associados à supercondutividade de alta temperatura, magnetismo e outras propriedades quânticas dos sólidos.

“Nossos resultados sugerem que fenômenos coletivos emergentes – como quasipartículas e bandas planas fortemente correlacionadas – que até agora eram considerados limitados a sistemas quânticos podem ser observados em configurações clássicas, como sistemas químicos e até matéria viva”, diz Tlusty. “Talvez esses fenômenos sejam muito mais comuns do que percebemos antes.”

Quasipartícula de meia luz e meia matéria aparece em um ímã de van der Waals

Tais fenômenos também podem ajudar a explicar vários processos complexos em sistemas clássicos, acrescenta. “Neste trabalho, detalhado em Física da Natureza, explicamos a transição de fusão fora do equilíbrio no cristal hidrodinâmico que estudamos como sendo o resultado de 'avalanches de quasipartículas'. Isso ocorre quando os pares de quasipartículas que se propagam pelo cristal estimulam a criação de outros pares por meio de uma reação em cadeia.

“Os pares de quasipartículas viajam mais rápido que a velocidade dos fônons e, portanto, cada par deixa para trás uma avalanche de pares recém-formados – mais ou menos como o cone de Mach gerado por um avião a jato supersônico. Finalmente, todos esses pares colidem entre si, o que eventualmente leva ao derretimento do cristal.”

Os pesquisadores dizem que deve haver muito mais exemplos de fenômenos quânticos em outros sistemas clássicos. “Sinto que nossas descobertas são apenas a ponta do iceberg”, diz Tlusty. “Revelar tais fenômenos pode ser muito útil para avançar na compreensão dos modos emergentes e transições de fase.”

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/