Quasipartículas não são só quânticas: Encontrada primeira quasipartícula clássica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/01/2023

Esquerda: Medição experimental de partículas coloidais conduzidas em um canal microfluídico. As partículas formam pares hidrodinamicamente acoplados estáveis movendo-se na mesma velocidade (setas). Esses pares são as quasipartículas fundamentais do sistema. Direita: Simulação de um cristal hidrodinâmico, mostrando um par de quasipartículas (partículas amarelas e laranjas mais à esquerda) se propagando em um cristal hidrodinâmico, deixando para trás um cone Mach supersônico de quasipartículas excitadas. As cores denotam a magnitude da excitação do par e o fundo branco denota sua velocidade.
[Imagem: Imran Saeed et al. - 10.1038/s41567-022-01893-5]

Quasipartícula clássica

As quasipartículas são parte integrante de várias tecnologias, tanto atuais quanto futurísticas, dos pares de Cooper da supercondutividade e das várias quasipartículas presentes no grafeno até os fônons e os promissores éxcitons e polaritons.

Mas todo esse zoológico de quasipartículas sempre esteve limitado ao campo da mecânica quântica, emergindo do comportamento conjunto de duas ou mais partículas "autênticas", mas gerando interações fortes o suficiente para alterar completamente as propriedades e o comportamento dos materiais em escala humana.

Agora, pela primeira vez, físicos conseguiram gerar quasipartículas em um sistema clássico - governado pela física clássica com que nos deparamos no nosso mundo cotidiano - a temperatura ambiente.

A quasipartícula clássica emergiu em um cristal bidimensional de partículas coloidais comuns impulsionadas por um fluxo viscoso forçado a passar por um canal muito fino. À medida que as partículas são arrastadas pelo fluxo, elas perturbam as linhas da corrente ao seu redor, exercendo assim forças hidrodinâmicas umas sobre as outras. Acopladas por estas forças hidrodinâmicas, as partículas formam pares estáveis e duradouros, assim como as quasipartículas quânticas.

É o primeiro exemplo de quasipartículas clássicas, revelando ligações ainda não compreendidas entre sistemas dissipativos quânticos e clássicos.

Forças anti-Newtonianas

Imran Saeed e seus colegas do Instituto de Ciências Básicas da Coreia do Sul descobriram que as forças hidrodinâmicas de longo alcance fazem com que as partículas se organizem 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.

Foi a grande quantidade de partículas acopladas em pares que deu à equipe a indicação de que seriam excitações elementares de vida longa no sistema. De fato, quando eles simularam um grande cristal bidimensional composto por elas, verificaram que as forças entre as partículas fazem o cristal vibrar, de modo muito parecido com os fônons térmicos - quasipartículas carreadoras do calor - 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 do cristal foi observada em todas as simetrias cristalinas, exceto em um caso particular: O cristal hexagonal. Neste caso, 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). 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.

As quasipartículas clássicas são incrivelmente parecidas com as quasipartículas quânticas observadas no grafeno.
[Imagem: Imran Saeed et al. - 10.1038/s41567-022-01893-5]

Fenômenos emergentes

Ao analisar o espectro dos fônons, os pesquisadores identificaram estruturas cônicas típicas das quasipartículas de Dirac, como as encontradas 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 fluxo. Isso demonstra que o sistema pode servir como um análogo clássico das quasipartículas de Dirac descobertas no grafeno.

"O trabalho é uma demonstração inédita de que os conceitos fundamentais da matéria quântica - particularmente as quasipartículas e as bandas planas - podem nos ajudar a entender a física de muitos corpos dos sistemas dissipativos clássicos," disse Tsvi Tlusty, membro da equipe.

Além disso, quasipartículas e bandas planas são de interesse especial na física da matéria condensada. Por exemplo, bandas planas foram recentemente observadas em camadas duplas de grafeno torcidas por um ângulo mágico específico, e o sistema hidrodinâmico estudado neste experimento apresenta uma banda plana análoga, só que em um cristal 2D muito mais simples.

"Juntas, estas descobertas sugerem que outros fenômenos coletivos emergentes, que até agora foram medidos apenas em sistemas quânticos, podem ser revelados em uma variedade de configurações dissipativas clássicas, como na matéria ativa e na matéria viva," disse Hyuk Pak, o terceiro autor da descoberta.

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