Quasipartculas so encontradas em sistemas clssicos pela primeira vez

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 27/01/2023

Quasipartcula clssica

As quasipartculas so parte integrante de vrias tecnologias, tanto atuais quanto futursticas, dos pares de Cooper da supercondutividade e das vrias quasipartculas presentes no grafeno at os fnons e os promissores xcitons e polaritons.

Mas todo esse zoolgico de quasipartculas sempre esteve limitado ao campo da mecnica quntica, emergindo do comportamento conjunto de duas ou mais partculas “autnticas”, mas gerando interaes fortes o suficiente para alterar completamente as propriedades e o comportamento dos materiais em escala humana.

Agora, pela primeira vez, fsicos conseguiram gerar quasipartculas em um sistema clssico – governado pela fsica clssica com que nos deparamos no nosso mundo cotidiano – a temperatura ambiente.

A quasipartcula clssica emergiu em um cristal bidimensional de partculas coloidais comuns impulsionadas por um fluxo viscoso forado a passar por um canal muito fino. medida que as partculas so arrastadas pelo fluxo, elas perturbam as linhas da corrente ao seu redor, exercendo assim foras hidrodinmicas umas sobre as outras. Acopladas por estas foras hidrodinmicas, as partculas formam pares estveis e duradouros, assim como as quasipartculas qunticas.

o primeiro exemplo de quasipartculas clssicas, revelando ligaes ainda no compreendidas entre sistemas dissipativos qunticos e clssicos.

Foras anti-Newtonianas

Imran Saeed e seus colegas do Instituto de Cincias Bsicas da Coreia do Sul descobriram que as foras hidrodinmicas de longo alcance fazem com que as partculas se organizem em pares.

Isso ocorre porque a interao hidrodinmica quebra a terceira lei de Newton, que afirma que as foras entre duas partculas devem ser iguais em magnitude e opostas em direo. Em vez disso, as foras so “anti-Newtonianas” porque so iguais e na mesma direo, estabilizando assim o par.

Foi a grande quantidade de partculas acopladas em pares que deu equipe a indicao de que seriam excitaes elementares de vida longa no sistema. De fato, quando eles simularam um grande cristal bidimensional composto por elas, verificaram que as foras entre as partculas fazem o cristal vibrar, de modo muito parecido com os fnons trmicos – quasipartculas carreadoras do calor – em um corpo slido vibrante.

Esses pares de quasipartculas se propagam pelo cristal, estimulando a criao de outros pares por meio de uma reao em cadeia. As quasipartculas viajam mais rpido que a velocidade dos fnons e, portanto, cada par deixa para trs uma avalanche de pares recm-formados, assim como o cone de Mach gerado por um avio a jato supersnico. Finalmente, todos esses pares colidem entre si, levando ao derretimento do cristal.

A fuso do cristal foi observada em todas as simetrias cristalinas, exceto em um caso particular: O cristal hexagonal. Neste caso, a simetria tripla da interao hidrodinmica corresponde simetria cristalina e, como resultado, as excitaes elementares so fnons de baixa frequncia extremamente lentos (e no pares). No espectro, v-se uma “banda plana” onde esses fnons ultra-lentos se condensam. A interao entre os fnons de banda plana altamente coletiva e correlacionada, o que mostra uma classe muito mais ntida e diferente de transio de fuso.

Fenmenos emergentes

Ao analisar o espectro dos fnons, os pesquisadores identificaram estruturas cnicas tpicas das quasipartculas de Dirac, como as encontradas no espectro eletrnico do grafeno. No caso do cristal hidrodinmico, as quasipartculas de Dirac so simplesmente pares de partculas, que se formam graas interao ‘anti-Newtoniana’ mediada pelo fluxo. Isso demonstra que o sistema pode servir como um anlogo clssico das quasipartculas de Dirac descobertas no grafeno.

“O trabalho uma demonstrao indita de que os conceitos fundamentais da matria quntica – particularmente as quasipartculas e as bandas planas – podem nos ajudar a entender a fsica de muitos corpos dos sistemas dissipativos clssicos,” disse Tsvi Tlusty, membro da equipe.

Alm disso, quasipartculas e bandas planas so de interesse especial na fsica da matria condensada. Por exemplo, bandas planas foram recentemente observadas em camadas duplas de grafeno torcidas por um ngulo mgico especfico, e o sistema hidrodinmico estudado neste experimento apresenta uma banda plana anloga, s que em um cristal 2D muito mais simples.

“Juntas, estas descobertas sugerem que outros fenmenos coletivos emergentes, que at agora foram medidos apenas em sistemas qunticos, podem ser revelados em uma variedade de configuraes dissipativas clssicas, como na matria ativa e na matria viva,” disse Hyuk Pak, o terceiro autor da descoberta.

Outras notcias sobre:

Mais tópicos