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Na física, as quasipartículas são usadas para descrever processos complexos em sólidos. Em gases quânticos ultrafrios, essas quasipartículas podem ser reproduzidas e estudadas. Agora, pela primeira vez, cientistas austríacos liderados por Rudolf Grimm conseguiram observar em experiências como os polarões de Fermi – um tipo especial de quasipartícula – podem interagir uns com os outros. Suas descobertas foram publicadas em NFísica da natureza.
Um elétron movendo-se através de um sólido gera uma polarização em seu ambiente devido à sua carga elétrica. Em suas considerações teóricas, o físico russo Lev Landau ampliou a descrição de tais partículas pela sua interação com o meio ambiente e falou de quasipartículas.
Há mais de dez anos, a equipe liderada por Rudolf Grimm do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQQOI) da Academia Austríaca de Ciências (ÖAW) e do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck conseguiu gerar tais quasipartículas para interações atrativas e repulsivas com o meio ambiente.
Para isso, os cientistas usam um gás quântico ultrafrio composto por átomos de lítio e potássio em uma câmara de vácuo. Com a ajuda de campos magnéticos, controlam as interações entre as partículas e, por meio de pulsos de radiofrequência, empurram os átomos de potássio para um estado em que atraem ou repelem os átomos de lítio que os rodeiam. Dessa forma, os pesquisadores simulam um estado complexo semelhante ao produzido no estado sólido por um elétron livre.
Uma análise mais detalhada dos sólidos
Agora, os cientistas liderados por Rudolf Grimm conseguiram gerar várias dessas quasipartículas simultaneamente no gás quântico e observar as suas interações entre si. “Numa noção ingênua, poderíamos supor que os polarons sempre se atraem, independentemente de sua interação com o meio ambiente ser atrativa ou repulsiva”, diz o físico experimental. “No entanto, este não é o caso. Vemos interação atrativa em polarons bosônicos, interação repulsiva em polarons fermiônicos. Aqui, a estatística quântica desempenha um papel crucial.”
Os pesquisadores conseguiram agora demonstrar pela primeira vez esse comportamento, que em princípio já segue como consequência da teoria de Landau. Os cálculos teóricos para isto foram feitos por colegas do México, Espanha e Dinamarca. “Foram necessárias altas habilidades experimentais para implementar isso em laboratório”, explica Cosetta Baroni, primeira autora do estudo, “porque mesmo os menores desvios poderiam ter distorcido as medições”.
“Essas investigações nos fornecem insights sobre mecanismos fundamentais da natureza e nos oferecem excelentes oportunidades para estudá-los em detalhes”, diz Rudolf Grimm com entusiasmo.
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