Bizarras partículas de apenas duas dimensões realmente existem

Após décadas de busca nos domínios mais ínfimos da natureza, físicos finalmente encontraram evidências de que os anyons existem. Previstos por teóricos no início da década de 1980, esses objetos são quase-partículas que surgem apenas em reinos de duas dimensões, e depois apenas sob circunstâncias especiais como em temperaturas próximas ao zero absoluto e na presença de um poderoso campo magnético.

Os físicos estão entusiasmados com os anyons não só porque sua descoberta confirma décadas de trabalho teórico, mas também por razões práticas. Por exemplo: Anyons estão no centro de um esforço da Microsoft para construir um computador quântico funcional, informa.

Este ano foram duas confirmações sólidas destas quase-partículas. A primeira chegou em abril, em um artigo na capa da revista científica Science, de um grupo de pesquisadores da École Normale Supérieure, em Paris. Usando uma abordagem proposta há quatro anos, os físicos enviaram um gás de elétrons através de um colisor de partículas minúsculo para provocar comportamentos esquisitos — especialmente cargas elétricas fracionárias — que só surgem se anyons estiverem nas proximidades. A segunda confirmação veio em julho, quando um grupo da Universidade Purdue, em Indiana, usou uma configuração experimental em um chip que exibia interações que poderiam obscurecer o comportamento anyon.

O físico do MIT Frank Wilczek, que previu e deu nome aos anyons no início dos anos 1980, leva o creditou o primeiro artigo pela descoberta, mas diz que o segundo permite que as quase partículas brilhem. “É um trabalho lindo que faz o campo florescer”, diz ele. Anyons não são como partículas elementares comuns; os cientistas nunca serão capazes de isolar uma do sistema onde ela se forma. São quase partículas, o que significa que têm propriedades mensuráveis como uma partícula — como a localização, talvez até mesmo a massa — mas só são observáveis como resultado do comportamento coletivo de outras partículas convencionais. (Imagine as intrincadas formas geométricas feitas pelos comportamentos em grupo na natureza, como bandos de pássaros voando em formação ou cardumes de peixes nadando juntos.)

O universo conhecido contém apenas duas variedades de partículas elementares. Uma delas é a família de férmions, que inclui elétrons, bem como prótons, nêutrons e quarks que os formam. Os férmions mantêm-se: nenhum dos dois pode existir no mesmo estado quântico ao mesmo tempo. Se essas partículas não tivessem essa propriedade, toda a matéria entraria em colapso em um único ponto. É por causa dos férmions que existe matéria sólida.

O resto das partículas no universo são bósons, um grupo que inclui partículas como fótons (luz e radiação) e glúons (que “cola” quarks juntos). Ao contrário dos férmions, dois ou mais bósons podem existir no mesmo estado ao mesmo tempo.

Eles tendem a se agrupar. É por causa dessa aglomeração que temos lasers, que são fluxos de fótons todos ocupando o mesmo estado quântico.

Anyons não se encaixam em nenhum dos grupos. O que torna anyons especialmente interessantes para os físicos é que eles exibem algo análogo à memória de partículas. Se um férmion orbita outro férmion, seu estado quântico permanece inalterado. O mesmo vale para um bóson.

Anyons são diferentes. Se um se move em torno do outro, seu estado quântico coletivo muda. Pode exigir três ou até cinco ou mais revoluções antes que os anyons retornem ao seu estado original. Esta pequena mudança na onda age como uma espécie de memória da viagem. Esta propriedade os torna objetos atraentes para serem utilizados em computadores quânticos, que dependem de estados quânticos que são notoriamente frágeis e propensos a erros. Anyons sugerem uma maneira mais robusta de armazenar dados.

Wilczek ressalta que os anyons representam um “reino” inteiro contendo muitas variedades com comportamentos exóticos que podem ser explorados e aproveitados no futuro. Ele começou a pensar neles há cerca de 40 anos na pós-graduação, quando ficou frustrado com provas que só estabeleceram a existência de dois tipos de partículas.

Ele imaginou outra coisa, e quando perguntado sobre suas outras propriedades ou onde encontrar esses estranhos intermediários, meio brincando disse, anything goes (algo como “vale tudo”, em inglês), dando origem ao nome.

Agora, diz ele, os estudos recentes são apenas o começo. Olhando para a frente, ele vê anyons como uma ferramenta para encontrar estados exóticos da matéria que, por enquanto, permanecem ideias malucas nas teorias dos físicos.

Fonte: Discover Magazine