Físicos desenvolveram uma nova teoria que une duas áreas principais da física quântica moderna. O trabalho explica como uma partícula incomum se comporta dentro de um ambiente quântico denso, conhecido como sistema de muitos corpos. Nesse contexto, a partícula pode atuar tanto como algo que se move livremente quanto como algo que permanece quase fixo dentro de uma vasta coleção de fermions, frequentemente chamada de mar de Fermi. Pesquisadores do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg criaram essa estrutura para explicar como os quasipartículas se formam e para vincular dois estados quânticos que anteriormente eram considerados incompatíveis. Eles afirmam que os resultados podem influenciar fortemente experimentos em andamento em matéria quântica.
Na física quântica de muitos corpos, os cientistas há muito debatem como as impurezas se comportam quando cercadas por um grande número de outras partículas. Essas impurezas podem ser elétrons ou átomos incomuns (ou seja, elétrons ou átomos exóticos). Uma explicação amplamente utilizada é o modelo de quasipartícula. Nesse modelo, uma única partícula se move através de um mar de fermiões, como elétrons, prótons ou nêutrons, interagindo constantemente com aqueles ao seu redor. À medida que viaja, ela arrasta partículas próximas junto com ela, criando uma entidade combinada chamada polaron de Fermi. Embora se comporte como uma única partícula, essa quasipartícula surge do movimento compartilhado da impureza e de seu entorno. Como observa Eugen Dizer, um candidato a doutorado da Universidade de Heidelberg, essa ideia se tornou central para entender sistemas fortemente interativos que vão desde gases ultracongelados até materiais sólidos e matéria nuclear.
Quando Partículas Pesadas Perturbam o Sistema
Um cenário muito diferente aparece em um fenômeno conhecido como catástrofe de ortogonalidade de Anderson. Isso ocorre quando uma impureza é tão pesada que quase não se move. Sua presença altera dramaticamente o sistema circundante. As funções de onda dos fermiões mudam de forma tão extensa que perdem sua forma original, criando um fundo complicado onde o movimento coordenado se desintegra. Nessas condições, as quasipartículas não podem se formar. Até agora, os físicos não tinham uma teoria clara que ligasse esse caso extremo à imagem da impureza móvel. Aplicando uma variedade de ferramentas analíticas, a equipe de Heidelberg conseguiu conectar essas duas descrições dentro de uma única estrutura.
Pequenos Movimentos com Grandes Consequências
“A estrutura teórica que desenvolvemos explica como as quasipartículas emergem em sistemas com uma impureza extremamente pesada, conectando dois paradigmas que há muito eram tratados separadamente”, explica Eugen Dizer, que trabalha no grupo de Teoria da Matéria Quântica liderado pelo Prof. Dr. Richard Schmidt. Um insight chave por trás da teoria é que mesmo impurezas muito pesadas não estão perfeitamente paradas. À medida que seu entorno se ajusta, essas partículas sofrem pequenos movimentos. Esses leves desvios criam uma lacuna de energia que torna possível a formação de quasipartículas, mesmo em um ambiente fortemente correlacionado. Os pesquisadores também mostraram que esse processo explica naturalmente a transição de estados polaronicos para estados quânticos moleculares.
Implicações para Experimentos Quânticos
O Prof. Schmidt afirma que os novos resultados oferecem uma forma flexível de descrever impurezas que pode ser aplicada em diferentes dimensões e tipos de interação. “Nossa pesquisa não só avança a compreensão teórica das impurezas quânticas, mas também é diretamente relevante para experimentos em andamento com gases atômicos ultracongelados, materiais bidimensionais e novos semicondutores”, acrescenta.
O estudo foi realizado como parte do Cluster de Excelência STRUCTURES da Universidade de Heidelberg e do Centro de Pesquisa Colaborativa ISOQUANT 1225. As descobertas foram publicadas na revista Physical Review Letters.