Na física, existem tipos muito diferentes de partículas:as partículas elementares são os blocos de construção fundamentais da matéria. Outras partículas, como átomos, são estados ligados que consistem em vários constituintes menores. E então existem as chamadas "quase-partículas" - excitações em um sistema que consiste em muitas partículas, que de muitas maneiras se comportam como uma partícula.

Essa quase-partícula foi agora descoberta em simulações de computador na TU Wien (Viena) e denominada pi-ton. Ele consiste em dois elétrons e dois orifícios. A nova partícula é apresentada na revista Cartas de revisão física , o artigo também descreve como o pi-ton pode ser detectado experimentalmente.

Um buraco é quase uma partícula

"A quase-partícula mais simples é um buraco, "explica o Prof. Karsten Held do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien." Vamos imaginar, por exemplo, que muitos átomos estão dispostos em um padrão regular em um cristal e que há um elétron em movimento em cada átomo. Apenas em um átomo em particular o elétron está faltando - isso é chamado de buraco. "Agora, um elétron pode mover-se do átomo vizinho para cima. O buraco original está fechado, um novo buraco se abre.

Em vez de descrever o movimento de elétrons em movimento constante, é mais fácil estudar o movimento do furo. Se os elétrons se moverem para a direita, o buraco se move para a esquerda - e esse movimento segue certas regras físicas, assim como o movimento de uma partícula comum. Contudo, ao contrário de um elétron, que também pode ser observado fora do cristal, o buraco só existe em conjunto com as outras partículas. Neste caso, falamos de uma "quase partícula".

"Contudo, a linha divisória entre partículas e quase-partículas não é tão clara como se poderia pensar, "diz Karsten Held." Estritamente falando, mesmo partículas comuns só podem ser entendidas no contexto de seu ambiente. Mesmo no vácuo, excitações de buraco de partícula ocorrem constantemente, embora por um período muito curto. Sem eles, a massa de um elétron, por exemplo, seria completamente diferente. Nesse sentido, mesmo em experimentos com elétrons comuns, o que vemos é realmente um elétron de quase partícula. "

Laços mais complicados

Mas também existem quase-partículas mais complexas:o exciton, por exemplo, que desempenha um papel importante na física de semicondutores. É um estado ligado que consiste em um elétron e um buraco, que é criado pela luz. O elétron é carregado negativamente, o buraco é a ausência de uma carga negativa - e, portanto, com carga positiva. Ambos se atraem e podem formar um vínculo.

"Na verdade, queríamos investigar esses excitons, "relatam a Dra. Anna Kauch e a Dra. Petra Pudleiner, os primeiros autores do artigo. "Desenvolvemos simulações de computador para calcular os efeitos físicos quânticos em sólidos." Mas logo Anna Kauch, Petra Pudleiner e sua colega Katharina Astleithner perceberam que haviam encontrado algo totalmente diferente em seus cálculos - um tipo completamente novo de quase-partícula. Ele consiste em dois elétrons e dois orifícios que se acoplam ao mundo externo por meio de fótons.

A equipe deu a esse objeto até então desconhecido o nome de pi-ton. "" O nome pi-ton vem do fato de que os dois elétrons e dois buracos são mantidos juntos por flutuações de densidade de carga ou flutuações de spin que sempre invertem seu caráter em 180 graus de um ponto de rede do cristal para o próximo - ou seja, por um ângulo de pi, medido em radianos, "explica Anna Kauch." Esta mudança constante de mais para menos pode ser imaginada como uma mudança de preto para branco em um tabuleiro de xadrez, "diz Petra Pudleiner. O pinhão é criado espontaneamente pela absorção de um fóton. Quando ele desaparece, um fóton é emitido novamente.

A partícula que saiu do computador

Até aqui, o pi-ton foi descoberto e verificado por simulações de computador. Para a equipe de pesquisa, não há dúvida sobre a existência do pi-ton:"Agora investigamos o fenômeno do pi-ton usando vários modelos - ele aparece repetidamente. Portanto, deve definitivamente ser detectável em uma variedade de materiais diferentes. ", Karsten Held está convencido. "Alguns dados experimentais obtidos com o titanato de samário material já parecem apontar para o pi-ton. Experimentos adicionais com fótons e nêutrons devem em breve fornecer clareza."

Mesmo que estejamos constantemente rodeados por incontáveis ​​quasipartículas - a descoberta de uma nova espécie de quasipartículas é algo muito especial. Além do exciton, agora também existe o pi-ton. Em todo o caso, isso contribui para uma melhor compreensão do acoplamento entre luz e sólidos, um tópico que desempenha um papel importante não apenas na pesquisa básica, mas também em muitas aplicações técnicas - da tecnologia de semicondutores à fotovoltaica.