Cientistas observam 'quasipartículas' em sistemas clássicos pela primeira vez

May 13, 2023

Começando com o surgimento da mecânica quântica, o mundo da física foi dividido entre a física clássica e a física quântica. A física clássica lida com os movimentos de objetos que normalmente vemos todos os dias no mundo macroscópico, enquanto a física quântica explica os comportamentos exóticos de partículas elementares no mundo microscópico.

Muitos sólidos ou líquidos são compostos de partículas que interagem umas com as outras em distâncias próximas, o que às vezes resulta no surgimento de "quasipartículas". Quasipartículas são excitações de longa duração que se comportam efetivamente como partículas de interação fraca. A ideia de quasipartículas foi introduzida pelo físico soviético Lev Landau em 1941 e, desde então, tem sido altamente frutífera na pesquisa de matéria quântica. Alguns exemplos de quasipartículas incluem as quasipartículas de Bogoliubov (isto é, pares de Cooper quebrados) na supercondutividade, éxcitons em semicondutores e fônons.

Examinar fenômenos coletivos emergentes em termos de quasipartículas forneceu informações sobre uma ampla variedade de configurações físicas, principalmente em supercondutividade e superfluidez e, recentemente, no famoso exemplo de quasipartículas de Dirac em grafeno. Mas até agora, a observação e o uso de quasipartículas foram limitados à física quântica: na matéria condensada clássica, a taxa de colisão é tipicamente muito alta para permitir excitações semelhantes a partículas de longa duração.

No entanto, a visão padrão de que as quasipartículas são exclusivas da matéria quânticafoi recentemente desafiado por um grupo de pesquisadores do Centre for Soft and Living Matter (CSLM) do Institute for Basic Science (IBS), Coreia do Sul. Eles examinaram um sistema clássico feito de micropartículas acionadas por fluxo viscoso em um canal microfluídico fino. À medida que as partículas são arrastadas pelo fluxo, elas perturbam as linhas de corrente ao seu redor, exercendo assim forças hidrodinâmicas umas sobre as outras. Este avanço foi liderado em conjunto pelo líder do grupo Tsvi Tlusty (Departamento de Física, UNIST) e pelo professor Hyuk Kyu Pak (Departamento de Física, UNIST) do CSLM.

Notavelmente, os pesquisadores descobriram que essas forças de longo alcance fazem as partículas se organizarem em pares. Isso ocorre porque a interação hidrodinâmica quebra a terceira lei de Newton, que afirma que as forças entre duas partículas devem ser iguais em magnitude e opostas em direção. Em vez disso, as forças são "anti-Newtonianas" porque são iguais e na mesma direção, estabilizando assim o par.

A grande população de partículas acopladas em pares indicava que essas são as excitações elementares de longa duração no sistema — suas quasipartículas. Essa hipótese foi comprovada quando os pesquisadores simularam um grande cristal bidimensional feito de milhares de partículas e examinaram seu movimento. As forças hidrodinâmicas entre as partículas fazem o cristal vibrar, muito parecido com os fônons térmicos em um corpo sólido vibrante.

Esses pares de quasipartículas se propagam pelo cristal, estimulando a criação de outros pares por meio de uma reação em cadeia. As quasipartículas viajam mais rápido que a velocidade dos fônons e, portanto, cada par deixa para trás uma avalanche de pares recém-formados, assim como o cone de Mach gerado por um avião a jato supersônico. Finalmente, todos esses pares colidem entre si, levando ao derretimento do cristal.

A fusão induzida por pares é observada em todas as simetrias cristalinas, exceto em um caso particular: o cristal hexagonal. Aqui, a simetria tripla da interação hidrodinâmica corresponde à simetria cristalina e, como resultado, as excitações elementares são fônons de baixa frequência extremamente lentos (e não pares como de costume). No espectro, vê-se uma "banda plana" onde esses fônons ultra-lentos se condensam. A interação entre os fônons de banda plana é altamente coletiva e correlacionada, o que mostra uma classe muito mais nítida e diferente de transição de fusão.

Notavelmente, ao analisar o espectro dos fônons, os pesquisadores identificaram estruturas cônicas típicas das quasipartículas de Dirac, assim como a estrutura encontrada no espectro eletrônico do grafeno. No caso do cristal hidrodinâmico, as quasipartículas de Dirac são simplesmente pares de partículas, que se formam graças à interação anti-newtoniana mediada pelo escoamento. Isso demonstra que o sistema pode servir como um análogo clássico das partículas descobertas no grafeno.