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Repelindo, mas ainda permanecendo juntos

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Jul 6, 2024
Corinna Kollath - do Instituto de Física da Universidade de Bonn. © Pho

Uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo alguns da Universidade de Bonn, demonstrou um estado quântico exótico da matéria

Corinna Kollath – do Instituto de Física da Universidade de Bonn.

Como uma estrutura pode se manter unida se seus componentes individuais estão realmente se repelindo? Uma equipe de pesquisa internacional demonstrou agora um exemplo de um estado quântico exótico altamente excitado da matéria. Pesquisadores da Universidade de Bonn desempenharam um papel importante no estudo. As descobertas foram publicadas agora no periódico “Nature”.

Átomos consistem de um núcleo carregado positivamente e um número de elétrons carregados negativamente. Eles formam um objeto estável, já que o núcleo e os elétrons se atraem.
O mesmo princípio de funcionamento também pode ser visto na interação de muitas partículas: em corpos que são sólidos à temperatura ambiente, por exemplo, as moléculas individuais são mantidas em posições específicas por forças de ligação. Isso garante que o sólido permaneça “em forma” e não chacoalhe como um líquido, por exemplo. Um exemplo disso seria o sal de cozinha (cloreto de sódio), que forma um cristal à temperatura ambiente. Seus íons de sódio carregados positivamente e íons de cloreto carregados negativamente se atraem.

Então talvez seja surpreendente aprender que até mesmo forças de repulsão podem formar objetos estáveis. “Neste caso, a força de ligação é gerada porque o objeto complexo é altamente excitado e é incapaz de dissipar sua energia”, explica a Professora Corinna Kollath da equipe de Física Quântica Teórica da Universidade de Bonn. Como o objeto é incapaz de reduzir sua energia, seus componentes são ligados. Este mecanismo só entra em jogo se o objeto quase não troca energia com seu ambiente.

“Para sólidos, que têm vários constituintes, como elétrons e núcleos, a engenharia de um grau suficiente de isolamento para atingir estados repulsivamente ligados era considerada impossível”, diz o professor Kollath, que também é membro da Matter Transdisciplinary Research Area e do ML4Q Cluster of Excellence na Universidade de Bonn. O físico faz parte de uma equipe de pesquisa internacional que agora descobriu uma ligação específica — conhecida como BaCo2V2O8 — na qual esse estado quântico exótico e altamente excitado da matéria pode ser observado.

Os pesquisadores usaram ondas de luz terahertz para excitar os spins dos elétrons nessa ligação (“spin” aqui significa o momento angular intrínseco carregado pelas partículas) submetendo BaCo2V2O8 a um campo magnético extremamente forte de até 60 Tesla. Assim como a excitação da quasipartícula magnética em níveis de baixa energia (o “magnon”), eles também identificaram estados ligados de dois e três magnons como excitações de alta energia.

O magnon é uma quasipartícula que, em termos leigos, pode ser entendida como um spin apontando na direção oposta a todos os outros spins. São as ondas de luz terahertz que fazem o spin inverter sua orientação. Os estados ligados de dois e três magnons, portanto, consistem em dois ou três desses spins invertidos, respectivamente, que são mantidos juntos pela interação repulsiva. Os pesquisadores da Universidade de Bonn analisaram os dados dos experimentos e identificaram e caracterizaram os vários estados ligados.

“O estudo é a primeira evidência de que estados repulsivamente ligados podem ser observados em um sistema de corpo sólido”, aponta Corinna Kollath. No entanto, ela acrescenta que alguma pesquisa fundamental ainda é necessária para entender como esses estados exóticos se formam em sistemas quânticos mais complexos. Os autores esperam que explorar as aplicações potenciais desses estados ligados, em particular no campo da tecnologia da informação quântica, leve vários anos.

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