Os físicos há muito classificam todas as partículas elementares em duas caixas arrumadas: bósons (portadores de força, como fótons) e férmions (construtores de matéria, como elétrons, prótons e nêutrons). Era um sistema elegante, como um arquivo com apenas duas pastas. Mas a natureza, ao que parece, é uma acumuladora, e vem escondendo uma terceira categoria em dimensões inferiores.

Desde os anos 1970, cientistas previram a existência de anyons — partículas que não são nem bósons nem férmions, mas algo intermediário. Em 2020, pesquisadores finalmente observaram esses infratores das regras na borda de semicondutores super-resfriados, fortemente magnetizados, com espessura de um átomo (bidimensionais). Agora, cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) e da Universidade de Oklahoma levaram o conceito a um território ainda mais estranho: sistemas unidimensionais.

Em dois artigos publicados na Physical Review A, a equipe identificou um sistema 1D que pode hospedar anyons e delineou seu comportamento teórico. Avanços recentes no controle de partículas individuais dentro de sistemas atômicos ultra-frios podem tornar essas ideias testáveis em experimentos de laboratório reais — não apenas experimentos mentais envolvendo quadros-negros e sobrancelhas franzidas.

“Cada partícula em nosso universo parece se encaixar estritamente em duas categorias: bosônica ou fermiónica. Por que não há outras?”, pergunta o Professor Thomas Busch da Unidade de Sistemas Quânticos do OIST. “Com esses trabalhos, agora abrimos a porta para melhorar nossa compreensão das propriedades fundamentais do mundo quântico, e é muito empolgante ver para onde a física teórica e experimental nos levará daqui.”

A distinção entre bósons e férmions vem do que acontece quando duas partículas idênticas trocam de lugar. Em três dimensões, experimentos mostram apenas dois resultados: ou o sistema permanece o mesmo (bósons) ou inverte o sinal (férmions). Nenhuma outra opção. Esse comportamento está ligado ao princípio mais irritante da física quântica: a indistinguibilidade. Diferente de bolinhas de gude — que você pode pintar de cores diferentes para acompanhar — partículas quânticas idênticas, como elétrons, não podem ser rotuladas individualmente se todas as suas propriedades quânticas coincidirem. Trocá-las produz um estado fisicamente indistinguível do original.

Raúl Hidalgo-Sacoto, estudante de doutorado na unidade do OIST, explica: “Como essa troca é equivalente a não fazer nada, a estatística matemática que rege o evento, conhecida como fator de troca, deve obedecer a uma regra simples: o quadrado do fator de troca deve ser igual a 1. Os únicos dois números que satisfazem essa regra são +1 e -1. É por isso que todas as partículas devem ser, respectivamente, bósons, para as quais o fator é 1, ou férmions, para as quais o fator é -1.”

Essas duas famílias se comportam de maneiras muito diferentes. Bósons naturalmente se agrupam e agem coletivamente — lasers, onde fótons do mesmo comprimento de onda se movem em sincronia, são um exemplo clássico, assim como os Condensados de Bose-Einstein. Férmions resistem a compartilhar o mesmo estado, o que é uma razão pela qual a tabela periódica tem tantos elementos. (Obrigado, férmions, pela variedade.)

Então por que dimensões inferiores podem produzir algo diferente? Em sistemas de dimensões inferiores, as partículas têm menos caminhos possíveis quando trocam de lugar. Suas trajetórias se entrelaçam através do espaço e do tempo, e, diferentemente de três dimensões, esses caminhos não podem simplesmente ser desembaraçados depois. Como resultado, o estado trocado não é mais equivalente ao original.

Hidalgo-Sacoto continua: “Em dimensões inferiores, essa troca não é mais topologicamente equivalente a não fazer nada. Para satisfazer a lei da indistinguibilidade, precisamos de fatores de troca em uma faixa contínua para explicar a troca, dependendo das exatas torções e reviravoltas dos caminhos.” Isso abre a porta para anyons, cujos fatores de troca podem assumir valores além de apenas +1 ou -1. Eles não são puramente bósons nem puramente férmions — são inconformistas quânticos.

Nos estudos recém-publicados, os pesquisadores demonstraram que a divisão bóson-férmion permanece quebrada mesmo em uma dimensão.