Uma nova evidência experimental de um comportamento coletivo de elétrons para formar "quasipartículas" chamadas "anyons" foi relatada por uma equipe de cientistas da Universidade Purdue.

Anyons têm características não vistas em outras partículas subatômicas, incluindo a exibição de carga fracionária e estatísticas fracionárias que mantêm uma "memória" de suas interações com outras quasipartículas induzindo mudanças de fase na mecânica quântica.

Pesquisador associado de pós-doutorado James Nakamura, com a ajuda dos membros do grupo de pesquisa Shuang Liang e Geoffrey Gardner, fez a descoberta enquanto trabalhava no laboratório do professor Michael Manfra. Manfra é um ilustre professor de física e astronomia, Bill e Dee O'Brien, Professor Catedrático de Física e Astronomia de Purdue, professor de engenharia elétrica e da computação, e professor de engenharia de materiais. Embora este trabalho possa vir a ser relevante para o desenvolvimento de um computador quântico, por enquanto, Manfra disse, deve ser considerado um passo importante na compreensão da física das quasipartículas.

Um artigo de pesquisa sobre a descoberta foi publicado na edição desta semana Física da Natureza .

Frank Wilczek, físico teórico vencedor do Prêmio Nobel, professor de física no MIT, deu a essas quasipartículas o nome irônico de "anyon" devido ao seu comportamento estranho porque, ao contrário de outros tipos de partículas, eles podem adotar "qualquer" fase quântica quando suas posições são trocadas.

Antes da crescente evidência de anyons em 2020, os físicos categorizaram as partículas do mundo conhecido em dois grupos:férmions e bósons. Os elétrons são um exemplo de férmions, e fótons, que formam ondas de luz e de rádio, são bósons. Uma diferença característica entre férmions e bósons é como as partículas agem quando estão em loop, ou trançado, em torno um do outro. Os férmions respondem de uma maneira direta, e bósons de outra maneira simples e esperada.

Anyons respondem como se tivessem uma carga fracionária, e ainda mais interessante, criam uma mudança de fase não trivial à medida que se entrelaçam. Isso pode dar aos anyons um tipo de "memória" de sua interação.

"Anyons só existem como excitações coletivas de elétrons em circunstâncias especiais, "Disse Manfra." Mas eles têm essas propriedades comprovadamente interessantes, incluindo carga fracionária e estatísticas fracionárias. É engraçado, porque você pensa, 'Como eles podem ter menos carga do que a carga elementar de um elétron?' Mas eles fazem. "

Manfra disse que quando bósons ou férmions são trocados, eles geram um fator de fase de mais um ou menos um, respectivamente.

"No caso de nossos ânions, a fase gerada pela trança foi de 2π / 3, "disse ele." Isso é diferente do que foi visto na natureza antes. "

Anyons exibem este comportamento apenas como multidões coletivas de elétrons, onde muitos elétrons se comportam como um só sob condições muito extremas e específicas, então eles não devem ser encontrados isolados na natureza, Nakamura disse.

"Normalmente no mundo da física, pensamos sobre partículas fundamentais, como prótons e elétrons, e todas as coisas que compõem a tabela periódica, "ele disse." Mas nós estudamos a existência de quasipartículas, que emergem de um mar de elétrons que são colocados em certas condições extremas. "

Como esse comportamento depende do número de vezes que as partículas são trançadas, ou em loop, em torno um do outro, eles são mais robustos em suas propriedades do que outras partículas quânticas. Esta característica é considerada topológica porque depende da geometria do sistema e pode eventualmente levar a estruturas anyon muito mais sofisticadas que poderiam ser usadas para construir estruturas estáveis, computadores quânticos topológicos.

A equipe foi capaz de demonstrar esse comportamento roteando os elétrons através de uma nanoestrutura gravada tipo labirinto específica feita de arseneto de gálio e arsenieto de gálio e alumínio. Este aparelho, chamado de interferômetro, confinou os elétrons a se moverem em um caminho bidimensional. O dispositivo foi resfriado até um centésimo de grau a partir do zero absoluto (10 milikelvin), e submetido a um poderoso campo magnético de 9 Tesla. A resistência elétrica do interferômetro gerou um padrão de interferência que os pesquisadores chamaram de "plotagem do pijama". Os saltos no padrão de interferência eram a assinatura da presença de anyons.

"É definitivamente uma das coisas mais complexas e complicadas a serem feitas na física experimental, "Chetan Nayak, físico teórico da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara disse ao Science News.

Nakamura disse que as instalações de Purdue criaram o ambiente para que essa descoberta acontecesse.

"Temos a tecnologia para cultivar o semicondutor de arseneto de gálio necessário para realizar nosso sistema de elétrons. Temos as instalações de nanofabricação no Centro de Nanotecnologia Birck para fazer o interferômetro, o dispositivo que usamos em nossos experimentos. No departamento de física, temos a capacidade de medir temperaturas ultrabaixas e de criar campos magnéticos fortes ", disse ele." Então, temos todos os componentes necessários que nos permitiram fazer essa descoberta aqui em Purdue. Isso é ótimo em fazer pesquisas aqui e por que conseguimos fazer esse progresso. "

Manfra disse que o próximo passo na fronteira de quasipartículas envolverá a construção de interferômetros mais complicados.

“Nos novos interferômetros, teremos a capacidade de controlar a localização e o número de quasipartículas na câmara, "ele disse." Então, seremos capazes de alterar o número de quasipartículas dentro do interferômetro sob demanda e alterar o padrão de interferência como quisermos. "