Físicos descobrem um novo estado da matéria escondido no mundo quântico

Você está familiarizado com os estados da matéria que encontramos diariamente – como sólido, líquido e gasoso – mas em condições mais exóticas e extremas, novos estados podem aparecer, e cientistas dos EUA e da China acabaram de encontrar um.

Eles estão chamando isso de estado líquido bose quiral e, como acontece com todo novo arranjo de partículas que descobrimos, ele pode nos dizer mais sobre o tecido e os mecanismos do Universo ao nosso redor – e, em particular, na escala quântica superpequena.

Os estados da matéria descrevem como as partículas podem interagir umas com as outras, dando origem a estruturas e várias formas de comportamento. Prenda os átomos no lugar e você terá um sólido. Deixe-os fluir, você tem um líquido ou um gás. Forçar parcerias separadas, você tem um plasma.

Os pesquisadores descobriram o novo estado por meio de um sistema quântico frustrado. Em termos simples, é um sistema com restrições internas que impedem que as partículas interajam como normalmente fariam (daí a frustração).

Essas restrições – e a frustração resultante – podem criar resultados empolgantes para os cientistas. Aqui, os pesquisadores se concentraram nos elétrons e usaram a analogia de um jogo de festa para explicar o que está acontecendo.

“É como um jogo de cadeiras musicais, projetado para frustrar os elétrons”, diz o físico teórico da matéria condensada Tigran Sedrakyan, da Universidade de Massachusetts Amherst. “Em vez de cada elétron ter uma cadeira para onde ir, agora eles devem se mexer e ter muitas possibilidades de onde se sentar.”

O sistema que os pesquisadores montaram foi um dispositivo semicondutor com duas camadas: uma camada superior rica em elétrons e uma camada inferior com muitos orifícios disponíveis para os elétrons se moverem naturalmente. A reviravolta? Não há lacunas suficientes para todos os elétrons.

Embora esse tipo de sistema permaneça difícil de observar, a equipe usou um campo magnético ultraforte para medir como os elétrons se moviam, revelando a primeira evidência do novo estado líquido bose quiral.

“Na borda da bicamada semicondutora, elétrons e buracos se movem com as mesmas velocidades”, diz o físico Lingjie Du, da Universidade de Nanjing, na China. “Isso leva a um transporte semelhante a uma hélice, que pode ser ainda mais modulado por campos magnéticos externos à medida que os canais de elétrons e buracos são gradualmente separados sob campos mais altos”.

Este novo estado revelou algumas propriedades bastante interessantes. Por exemplo, os elétrons irão congelar em um padrão previsível e uma direção de rotação fixa no zero absoluto e não podem sofrer interferência de outras partículas ou campos magnéticos. Essa estabilidade pode ter aplicações em sistemas de armazenamento digital de nível quântico.

Além disso, as partículas externas que afetam um elétron podem afetar todos os elétrons do sistema, graças ao emaranhamento quântico de alcance relativamente longo. É como acertar uma bola branca em um pacote de bolas de bilhar e todas essas bolas viajarem na mesma direção em resposta – outra descoberta que pode ser útil.

Embora tudo isso envolva física de alto nível, cada descoberta como essa – essas peculiaridades e casos extremos que acontecem fora dos limites das interações de partículas comuns – nos aproxima de uma compreensão completa do nosso mundo.

“Você encontra estados quânticos da matéria bem distantes dessas margens, e eles são muito mais selvagens do que os três estados clássicos que encontramos em nossa vida cotidiana”, diz Sedrakyan.

A pesquisa foi publicada na Nature.