Quasipartículas imortais renascem das próprias cinzas

Com informações da TUM - 02/07/2019

Fortes interações fazem com que as quasipartículas sejam autênticas fênix quânticas.
[Imagem: K. Verresen/TUM]

Imortalidade na matéria

O ditado popular diz que nada dura para sempre. As leis da física parecem confirmar isso: em nosso planeta, todos os processos aumentam a entropia, ou seja, a desordem molecular. Por exemplo, um vidro quebrado nunca mais se recompõe.

Mas os ditados - e as teorias - também não parecem conseguir escapar desse destino inexorável.

Físicos da Universidade Técnica de Munique e do Instituto Max Planck para a Física de Sistemas Complexos, na Alemanha, descobriram que coisas que parecem inconcebíveis no mundo cotidiano são possíveis no nível microscópico, onde reina soberana a mecânica quântica.

"Até agora, a suposição era que as quasipartículas em sistemas quânticos interagentes decaem após um certo tempo. Agora sabemos que é exatamente o oposto: Interações fortes podem até mesmo parar completamente o decaimento," explica o professor Frank Pollmann.

Vibrações coletivas das redes atômicas dos cristais, os chamados fônons, são um exemplo dessas quasipartículas. E, ao "reviver", elas se mantêm indefinidamente, numa aparente "imortalidade".

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Quasipartículas eternas

O conceito de quasipartículas foi cunhado pelo físico e ganhador do prêmio Nobel Lev Davidovich Landau. Ele usou a ideia para descrever estados coletivos de muitas partículas, ou melhor, suas interações devido a forças elétricas ou magnéticas. Devido a essas interações, várias partículas acabam se comportando como se fossem uma única - uma quasipartícula.

"Até agora, não se conhecia em detalhes quais processos influenciam o destino dessas quasipartículas em sistemas interativos," disse Pollmann. "Só agora contamos com métodos numéricos com os quais podemos calcular interações complexas, bem como computadores com desempenho elevado o suficiente para resolver essas equações."

Foram os resultados dessas simulações computadorizadas que surpreenderam: as quasipartículas não só podem sobreviver à destruição inexorável que espreita todas as coisas materiais, como parecem ser até mesmo capazes de renascer das próprias cinzas, como uma fênix, criando sua própria versão de "imortalidade".

"O resultado dessa elaborada simulação é o seguinte: As quasipartículas de fato decaem; no entanto, novas entidades de partículas idênticas emergem dos destroços. Se este decaimento ocorre muito rapidamente, uma reação inversa ocorrerá após um determinado tempo e os detritos convergirão novamente. Esse processo pode ocorrer de forma infinita, e uma oscilação sustentada entre decadência e renascimento emerge," explica o pesquisador Ruben Verresen, principal responsável pela descoberta.

Do ponto de vista físico, essa oscilação é uma onda que se transforma em matéria, o que é possível de acordo com a dualidade onda-partícula da mecânica quântica. Portanto, as quasipartículas imortais não transgridem a Segunda Lei da Termodinâmica - sua entropia permanece constante, a decadência é simplesmente interrompida.

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O "renascimento" das partículas é possível porque a onda vira matéria, algo possível graças à conhecida dualidade partícula-onda.
[Imagem: Verresen et al. - 10.1038/s41567-019-0535-3]

A verificação da realidade

Este resultado um tanto surpreendente explica fenômenos que eram desconcertantes até agora.

Medições feitas por físicos experimentais mostraram que o composto magnético Ba3CoSB2O9 é surpreendentemente estável. Agora se pode dizer que são as quasipartículas magnéticas, os magnons, as responsáveis por essa estabilidade. Outras quasipartículas, os rotons, asseguram que o hélio, que é um gás na superfície da Terra, se torne um superfluido no zero absoluto, podendo então fluir sem restrições.

"Nosso trabalho é puramente pesquisa básica," enfatiza o professor Pollmann.

No entanto, é perfeitamente possível que um dia esses resultados permitam aplicações práticas, por exemplo, a construção de memórias de dados duráveis para futuros computadores quânticos.

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