Físicos fizeram de novo: descobriram um novo estado quântico que faz todo o sentido no papel e absolutamente nenhum no cérebro de uma pessoa normal. Em um estudo publicado na Physical Review Letters, pesquisadores liderados por Hanns-Christoph Nägerl, trabalhando com o físico teórico Alvise Bastianello do CNRS e da Université Paris-Dauphine, descreveram como projetar um estado quântico exótico conhecido como "mar de Fermi fracionário". O nome por si só soa como um prato especial de frutos do mar rejeitado, mas a física é genuinamente estranha.

O avanço envolve empurrar átomos de césio ultrafrios muito além de suas condições normais, alterando repetidamente a intensidade com que se atraem ou se repelem. Em vez de simplesmente se tornarem desordenados — que é o que a maioria de nós faz sob estresse repetido —, as partículas se reorganizam em uma configuração incomum que se comporta de maneira diferente dos sistemas quânticos tradicionalmente estudados pelos cientistas. As descobertas teóricas fornecem a base para pesquisas experimentais recentes conduzidas pela equipe de Nägerl no Departamento de Física Experimental.

Em condições normais, partículas quânticas seguem regras bem estabelecidas que determinam como se organizam, particularmente em temperaturas extremamente baixas. Um exemplo importante envolve férmions, uma categoria de partículas que inclui os elétrons. Essas partículas não podem ocupar todos o mesmo estado quântico, então preenchem os níveis de energia disponíveis de acordo com restrições específicas. Em temperaturas muito baixas, esse arranjo produz o que os físicos chamam de mar de Fermi. É ordenado, previsível e — sejamos honestos — um pouco monótono.

Mas o que acontece quando os pesquisadores perturbam deliberadamente as condições que normalmente governam o comportamento das partículas? Como explica Alvise Bastianello: "Os férmions, por exemplo, se empilham ordenadamente nos estados de energia disponíveis para formar o chamado 'mar de Fermi'. Mas o que acontece se forçarmos átomos interagentes a ciclar continuamente por condições extremas, alternando suavemente entre se repelirem fortemente e se atraírem fortemente?" É o equivalente quântico de perguntar o que acontece se você ficar apertando o interruptor de uma lâmpada muito pequena e muito confusa.

Para investigar essa possibilidade, os pesquisadores estudaram átomos de césio ultrafrios confinados em um sistema unidimensional. Isso significa que os átomos são restritos a se mover ao longo de uma única direção, criando um ambiente no qual suas interações quânticas podem ser estudadas com controle excepcional. A equipe examinou o que acontece quando as interações entre esses átomos são repetidamente ajustadas, alternando entre repulsão poderosa e atração.

Seus cálculos revelaram algo inesperado. Partindo do estado fundamental, a configuração de menor energia disponível para o sistema, os átomos puderam ser levados a um estado altamente excitado sem perder sua organização subjacente. Os pesquisadores chamam esse arranjo incomum de mar de Fermi fracionário porque suas partículas parecem obedecer a uma regra modificada que governa como os estados quânticos são ocupados.

"Em vez de simplesmente aquecer o sistema, o ciclo de interação reorganiza os átomos em um novo estado de muitos corpos", diz Yi Zeng, o autor principal deste estudo. "Isso nos dá uma maneira controlada de explorar a matéria quântica além dos paradigmas usuais de equilíbrio." Em outras palavras, eles sacudiram o Etch A Sketch quântico e obtiveram uma obra-prima em vez de uma bagunça.

Uma das características mais intrigantes do mar de Fermi fracionário é que suas partículas permanecem organizadas mesmo que o sistema tenha sido empurrado para longe do equilíbrio. Em física, equilíbrio descreve uma condição na qual as propriedades gerais de um sistema se estabilizaram em um balanço estável. Sistemas levados para longe do equilíbrio podem se comportar de maneiras complicadas e inesperadas, tornando-os particularmente desafiadores de entender. No entanto, o mar de Fermi fracionário não é simplesmente uma coleção de partículas excitadas se comportando aleatoriamente. Em vez disso, ele contém padrões matemáticos distintos que revelam uma compreensão mais profunda.