Uma colaboração internacional envolvendo europeus, Israelense, e cientistas dos EUA percebem pela primeira vez interações fortes e direcionalmente dependentes em líquidos quânticos de excitons, que contrasta com a isotropia espacial do acoplamento entre as partículas carregadas. Essa anisotropia espacial afeta a maneira como as partículas se organizam no espaço e abre caminhos para estados exóticos da matéria criados artificialmente. Os resultados foram publicados em Revisão Física X .

"Pássaros iguais voam juntos":este velho provérbio pode se aplicar a várias circunstâncias da vida, mas certamente não se aplica a cargas elétricas:cargas da mesma polaridade sempre se repelem, enquanto apenas cargas de polaridade oposta se atraem. Uma consequência da atração entre cargas diferentes é a formação de excitons (pares de elétron-buraco) em semicondutores. Esses pares de elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente podem ser criados por meio da absorção de quanta de luz (fótons). Excitons são chamados de quase-partículas que resultam da ligação de um elétron e um buraco pela atraente interação coulomb eletrostática entre eles. Os excitons são móveis, mas não estáveis, pois os elétrons e os buracos podem se recombinar rapidamente, levando à emissão de um fóton. Excitons de longa vida podem, Contudo, ser criado em bicamadas semicondutoras especiais que consistem em dois poços quânticos próximos espaçados separados por uma barreira de potencial fina (ver Figura). Se uma tensão de polarização for aplicada à estrutura, os elétrons e buracos que formam o exciton serão armazenados em poços quânticos separados:essa separação de carga aumenta significativamente o tempo de vida da recombinação. Esses excitons de vida longa adquirem um momento dipolar p e são, portanto, conhecidos como excitons dipolares (ou indiretos).

Os excitons, assim como os excitons dipolares, são partículas neutras para o exterior e surge a questão de como os excitons dipolares interagem uns com os outros. A resposta pode ser encontrada considerando-os como dipolos alinhados. Ao contrário da interação coulomb eletrostática entre duas cargas, que só depende da distância entre eles, a interação entre dois dipolos depende da orientação relativa entre seus dipolos e do vetor que os conecta. Para dipolos alinhados, como os excitons dipolares na figura, a interação muda de repulsiva para atraente conforme o ângulo entre eles aumenta de 0 a 90 graus.

Os experimentos com excitons dipolares realizados até agora usaram excitons em uma única camada dupla, onde se pode apenas sondar o componente repulsivo da interação dipolar. Agora, uma equipe internacional de pesquisadores do Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik em Berlim, a Universidade Hebraica de Jerusalém, o Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria e a Universidade de Princeton encontraram uma maneira inteligente de superar os desafios empilhando duas camadas dipolares, conforme ilustrado na figura:desta forma, eles foram capazes de demonstrar pela primeira vez o componente dipolo-dipolo atraente do acoplamento entre as partículas, com resultados surpreendentes. Eles mostram que a presença de excitons dipolares em uma das bicamadas induz um acúmulo de excitons dipolares na segunda bicamada. O último prova que, em condições apropriadas, o velho provérbio também se aplica aos excitons dipolares.

Recentemente, gases quânticos dipolares e líquidos atraíram muita atenção, uma vez que eles hospedam uma infinidade de fenômenos exóticos de muitas partículas originados no caráter anisotrópico e de longo alcance das interações dipolo-dipolo. As fases dipolares da matéria foram estudadas até agora principalmente no contexto de gases ultracold de moléculas polares e átomos magnéticos:um bom exemplo é a supersolididade recentemente observada - cristais onde os átomos fluem sem atrito. Esses conjuntos de baixa densidade, Contudo, torna difícil alcançar o regime de fortes interações entre as partículas, onde a maior parte da física exótica ocorre.

O forte acoplamento atraente inter-bicamada, conforme demonstrado agora por Hubert et al. torna possível a investigação desses fenômenos em um sistema de estado sólido de fluidos dipolares. Em particular, pode sondar densidades dipolares e intensidades de interação atualmente indisponíveis em realizações atômicas, que se espera revele novos efeitos e fases coletivas. Um exemplo é o arrasto mútuo maior do que o esperado e as energias de ligação entre as partículas dipolares detectadas nos experimentos com excitons. Este efeito surpreendente é atribuído ao aparecimento de ondas eletroacústicas ou polarons nos dois fluidos, mediada pelas interações dipolo-dipolo remotas. Conforme a densidade do fluido aumenta, a energia do polaron muda significativamente, possivelmente representando o limite de fase entre os estados de gás e líquido. Este fenômeno surpreendente é uma boa motivação para futuros experimentos que tentam a realização das fases exóticas de muitos corpos com interações anisotrópicas de sistemas quânticos fortemente correlacionados.