O Problema ‘Mais Estranho’, Feito de Partículas Parciais, Desafia a Descrição

Os filósofos estão em um frenesi por causa dos “fractons”, partículas hipotéticas incomuns, mas possivelmente úteis, que só podem ser realocadas e se misturam umas com as outras.

Sua mesa de trabalho é composta de átomos específicos e distintos, mas sua superfície parece lisa de longe. Este conceito simples está no cerne de todas as nossas versões do mundo físico. Podemos explicar o que geralmente ocorre sem ficar paralisado nas complicadas interações entre átomos e elétrons.

Assim, quando um novo estado teórico da questão foi descoberto, cujas minúsculas características persistentemente persistem em qualquer que seja o alcance, muitos físicos rejeitaram confiar em sua presença.

“Quando tomei conhecimento da existência de fraturas, afirmei que não havia como isso ser real, já que desafia meu preconceito de exatamente como os sistemas agem”, afirmou Nathan Seiberg, um físico teórico do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, New Jacket. “No entanto, eu estava errado. Percebi que continuava em negação.”

A oportunidade teórica dos fractons surpreendeu os físicos em 2011. Recentemente, esses estranhos estados da questão levaram os físicos a novas estruturas acadêmicas que podem ajudá-los a lidar com alguns dos problemas mais difíceis da física essencial.

Fractons são quasipartículas, entidades parecidas com partículas que surgem de comunicações complexas entre numerosas partículas elementares dentro de um material. Mas os fractons são incomuns e contrastam com outras quasipartículas exclusivas porque são imóveis ou podem ser realocados de forma mínima. Não há absolutamente nada em sua atmosfera que impeça os fractons de se deslocarem; em vez disso, é uma propriedade integral deles. Isso significa que a estrutura microscópica dos fracionários afeta suas ações em lugares distantes.

“Isso é totalmente chocante. Para mim, é a fase mais estranha da matéria”, afirmou Xie Chen, um teórico de questões compactadas do Instituto de Tecnologia Moderna da Califórnia.

Partial Particles

Em 2011, Jeongwan Haah, depois um estudante universitário da Caltech, estava procurando por estágios incomuns de problemas que eram tão seguros que podiam ser utilizados para proteger a memória quântica, mesmo em nível de temperatura da área. Usando um algoritmo de sistema de computador, ele apresentou uma fase teórica totalmente nova que se tornou chamada de código Haah. A fase imediatamente chamou a atenção de outros físicos por causa das quasipartículas estranhamente imóveis que a compõem.

Eles pareciam, separadamente, como simples frações de bits, apenas capazes de realocar a mistura. Logo, mais estágios acadêmicos foram descobertos com características semelhantes, e então, em 2015, Haah e Sagar Vijay e Liang Fu cunharam o termo “fractons” para as estranhas quasipartículas parciais. (Um artigo anterior, entretanto, esquecido por Claudio Chamon agora é creditado com a descoberta original das ações de fratura.).

Para ver o que há de tão notável em relação às fases de fratura, considere uma partícula extra regular, como um elétron, movendo-se livremente através de um material. O estranho, no entanto, popular significa que os físicos entendem esse movimento é que as ações do elétron, uma vez que o espaço é carregado com conjuntos elétron-pósitron, por um tempo entrando e saindo da existência. Um desses pares aparece de forma que a posição (a antipartícula com carga oposta do elétron) esteja no topo do elétron inicial, obliterando. Isso deixa o elétron deslocado do elétron inicial. Como não há outra maneira de comparar os dois elétrons, percebemos que um único elétron está se deslocando.

Em vez disso, imagine que pares de partículas e antipartículas não podem se desenvolver a partir do aspirador de pó, mas apenas quadrados deles. Nessa situação, um quadrado pode ser criado para garantir que uma antipartícula empurre o topo da partícula original, aniquilando aquela aresta. Um segundo quadrado então abaula o aspirador de pó para garantir que um de seus lados se aniquile com o lado do primeiro quadrado. Isso deixa para trás o lado oposto do segundo quadrado, incluindo adicionalmente uma partícula e uma antipartícula. A atividade resultante é a de um conjunto partícula-antipartícula deslocando-se lateralmente em linha reta. Neste mundo, uma instância de uma fase de fração, o movimento de uma partícula solitária é restrito, mas um conjunto pode se mover facilmente.

O código Haah leva o fenômeno ao extremo: as partículas podem simplesmente ser realocadas quando novos bits são convocados em padrões de repetição infinitos chamados fractais. Afirme que você tem 4 bits dispostos em um quadrado, mas quando você aumenta o zoom em cada canto, localiza um quadrado adicional de quatro bits juntos. Concentre-se em uma aresta mais uma vez e localizará um quadrado adicional, e assim por diante, para que tal estrutura surja no vácuo exige tanta energia que é impossível realocar esse tipo de fração. Isso permite que qubits constantes, a pequena computação quântica, sejam armazenados no sistema, já que o ambiente não pode interferir no estado delicado dos qubits.

A imobilidade dos fractons torna extremamente desafiador explicá-los como um continuum suave de longe. Como os bits geralmente podem ser realocados abertamente, eles entrarão em um estado de estabilidade, especificado por edifícios em massa, como temperatura ou pressão, se você esperar o tempo suficiente. As áreas iniciais das partículas interrompem a matéria. No entanto, os fractons estão presos em pontos específicos ou podem apenas realocar combinações ao longo de linhas ou aviões específicos. A definição desse movimento requer o foco nos locais distintos dos fracionários; portanto, as fases não podem se livrar de suas minúsculas personalidades ou se submeter ao típico resumo do continuum.

Seus hábitos microscópicos resolutos tornam “uma dificuldade pensar em exemplos de fraturas e pensar profundamente sobre o que é possível”, afirmou Vijay, um filósofo do College of The Golden State, em Santa Bárbara. “Sem uma descrição contínua, como definimos esses estados da matéria?”.

“Estamos perdendo uma grande quantidade de coisas”, afirmou Chen. “Não temos noção exata de como descrevê-los e o que significam”.

Uma Nova Estrutura de Fração

Fractons ainda precisam ser feitos em laboratório; no entanto, isso provavelmente se transformará. Cristais específicos com problemas imóveis demonstraram ser matematicamente semelhantes aos fractons. E a paisagem teórica de fratura se desenvolveu além do que qualquer um esperava, com modelos totalmente novos aparecendo mensalmente.

“Muito provavelmente, em um futuro próximo, alguém tomará entre essas proposições e dirá: ‘OK, vamos fazer alguns experimentos corajosos com átomos frios e perceber precisamente entre essas versões de fratura'”, disse Brian Skinner, um físico de questões condensadas da Universidade Estadual de Ohio que criou versões de fractons.

Além disso, sem sua compreensão especulativa, a simples oportunidade acadêmica de fractons soou o alarme para Seiberg, um dos principais especialistas no conceito de área quântica, a estrutura teórica em que quase todas as sensações físicas são descritas atualmente.

A teoria quântica da área ilustra bits distintos como excitações em campos contínuos que se estendem pela sala e pelo tempo. É a teoria física mais bem-sucedida já encontrada e engloba o Projeto Convencional da física de partículas, a equação extremamente exata que regula todas as partículas elementares reconhecidas.

“Fractons não se encaixam nesta estrutura. Minha opinião é que a estrutura é insuficiente”, afirmou Seiberg.

Existem outros fatores excelentes para assumir que a teoria quântica de campos é insuficiente; por um lado, até agora não consegue explicar a força da gravidade. Se eles puderem descobrir como definir fratões na estrutura da teoria quântica da área, Seiberg e vários outros teóricos prevêem novas ideias para um conceito viável de gravidade quântica.

“A discrição dos fractons é possivelmente prejudicial, pois pode estragar toda a estrutura que já possuímos”, afirmou Seiberg. “Mas ou você afirma que é um problema, ou afirma que é uma chance.”

Ele e seus colegas estão criando conceitos de campo quântico únicos que tentam abranger a estranheza dos fratons, permitindo algum comportamento discreto, além de uma base de espaço-tempo constante.

“O conceito de campo quântico é uma estrutura muito delicada, então gostaríamos de transformar as regulamentações o mais baixo possível”, disse ele. “Estamos caminhando sobre gelo muito fino, na esperança de chegar ao outro lado.”.

Leia o artigo original na quantamagazine.