Nos dias de hoje, filmes e videogames renderizam imagens 3-D cada vez mais realistas em telas 2-D, dando aos espectadores a ilusão de olhar para outro mundo. Para muitos físicos, no entanto, manter as coisas planas é muito mais interessante.

Um dos motivos é que as paisagens planas podem desbloquear novos padrões de movimento no mundo quântico de átomos e elétrons. Por exemplo, derramar a terceira dimensão permite que surja uma classe inteiramente nova de partículas - partículas que não se encaixam perfeitamente nas duas classes, bósons e férmions, fornecidos pela natureza. Essas novas partículas, conhecido como anyons, mudam de maneiras novas quando trocam de lugar, um feito que poderia um dia impulsionar uma raça especial de computador quântico.

Mas os anyons e as condições que os produzem têm sido extremamente difíceis de detectar em experimentos. Em um par de artigos publicados esta semana em Cartas de revisão física , JQI Fellow Alexey Gorshkov e vários colaboradores propuseram novas maneiras de estudar esta física plana incomum, sugerindo que um pequeno número de átomos restritos poderia atuar como substitutos para os elétrons exigentes inicialmente previstos para exibir peculiaridades de baixa dimensão.

"Esses dois artigos acrescentam à crescente literatura que demonstra a promessa dos átomos frios para o estudo da física exótica em geral e dos ânions em particular, "Gorshkov diz." Juntamente com os avanços recentes em experimentos com átomos frios - inclusive pelo grupo de Ian Spielman no JQI - este trabalho sugere emocionantes demonstrações experimentais que podem estar chegando. "

No primeiro artigo, que foi selecionado como uma sugestão dos editores, Gorshkov e seus colegas propuseram procurar uma nova assinatura experimental de anyons - uma que pudesse ser visível em uma pequena coleção de átomos pulando em uma grade 1-D. Trabalhos anteriores sugeriram que tais sistemas podem simular o comportamento de troca de anyons, mas os pesquisadores só conheciam maneiras de detectar os efeitos em temperaturas extremamente baixas. Em vez de, Fangli Liu, um estudante de graduação na JQI, junto com Gorshkov e outros colaboradores, encontrou uma maneira de detectar a presença de anyons sem precisar desses climas frígidos.

Normalmente, átomos se espalham simetricamente ao longo do tempo em uma grade 1-D, mas os anyons geralmente favorecem a esquerda sobre a direita ou vice-versa. Os pesquisadores argumentaram que mudanças diretas no laser usado para criar a grade fariam com que os átomos saltassem menos como eles próprios e mais parecidos com os ânions. Medindo a maneira como o número de átomos em diferentes locais muda ao longo do tempo, seria então possível detectar a assimetria esperada de anyons. Além disso, ajustar o laser tornaria mais fácil mudar a direção preferida no experimento.

"A motivação era usar algo que não exigisse temperaturas extremamente baixas para sondar os ânions, "diz Liu, o autor principal do artigo. "A esperança é que talvez algumas ideias semelhantes possam ser usadas em configurações mais gerais, como procurar assimetrias relacionadas em duas dimensões. "

No segundo artigo, Gorshkov e um grupo separado de colaboradores encontraram evidências teóricas para um novo estado da matéria intimamente relacionado a um líquido Laughlin, o exemplo prototípico de uma substância com ordem topológica. Em um líquido Laughlin, partículas - originalmente elétrons - encontram formas elaboradas de evitar umas às outras, levando ao surgimento de anyons que carregam apenas uma fração da carga elétrica mantida por um elétron.

"Anyons ainda são construções teóricas, "diz Tobias Grass, um pesquisador de pós-doutorado no JQI e o autor principal do segundo artigo, "e os experimentos ainda precisam demonstrá-los de forma conclusiva."

Embora cargas fracionárias tenham sido observadas em experimentos com elétrons, muitas de suas outras propriedades previstas permaneceram incomensuráveis. Isso torna difícil procurar outro comportamento interessante ou estudar os líquidos Laughlin mais de perto. Grama, Gorshkov e seus colegas sugeriram uma maneira de manipular as interações entre um punhado de átomos e descobriram um novo estado da matéria que mistura características do líquido Laughlin e uma fase de cristal menos exótica.

Os átomos neste novo estado evitam uns aos outros de maneira semelhante aos elétrons em um líquido Laughlin, e eles também se enquadram em um padrão regular, como em um cristal - embora de uma forma estranha, com apenas metade de um átomo ocupando cada local de cristal. É uma mistura única de simetria de cristal e ordem topológica mais complexa - uma combinação que recebeu poucos estudos anteriores.

"A ideia de que você tem um sistema bosônico ou fermiônico, e, a partir das interações, surge uma física completamente diferente - isso só é possível em dimensões inferiores, "Grass diz." Ter uma demonstração experimental de qualquer uma dessas fases é apenas interessante de uma perspectiva fundamental. "