Cientistas observam a elusória partícula demoníaca pela primeira vez

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Cientistas observam a elusória partícula demoníaca pela
primeira vez
Previsto pela primeira vez em 1956, os cientistas se depararam com uma partícula neutra e sem massa
que não interage com a luz, coloquialmente chamada de “partícula demônio”.
Os pesquisadores dizem que eles podem ter acabado de descobrir provas e uma partícula demoníaca
que foi prevista há quase 70 anos. A descoberta começou com a investigação de um metal inócuo: o
rutenato de estrôncio.
As propriedades dos metais (e outros sólidos) são em grande parte determinadas pelo comportamento
dos elétrons dentro delas. Pense em magnetismo, transparência, condutividade térmica e até
supercondutividade – tudo isso resulta do movimento dos elétrons e como eles interagem uns com os
outros, assim como com os outros.
Estudar as quasipartículas
O comportamento dos elétrons tem sido extensivamente estudado, sendo mais fácil matematicamente
descrever seu movimento em termos coletivos. É o mesmo que um monte de moléculas de água se
juntando para formar um líquido. Ao estudar a dinâmica dos fluidos, deve-se considerar o líquido como
um todo para facilitar os cálculos.
O movimento coletivo de elétrons é muitas vezes referido como excitações ou quasipartículas. Imagine-
os como ondulações na superfície de uma lagoa ou um grupo de pessoas, todos fazendo a onda em um
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concerto. Falamos dessas “ondas” como coisas separadas e independentes. As quasipartículas são
muito parecidas com isso – padrões de comportamentos que se formam quando muitas partículas
minúsculas, como elétrons, se juntam para fazer algo interessante.
Por exemplo, os pares de Cooper são como pares de elétrons cujo comportamento como casal é o que
torna possível a supercondutividade. Embora muitas quase-partículas, como esta, tenham sido
estudadas e observadas, também existem excitações indescritíveis cuja existência foi teoricamente
prevista, mas nunca foi comprovada experimentalmente.
Encontrando um demônio
A partícula demoníaca foi prevista pela primeira vez por David Pines em 1956. Esta quasipartícula em
particular foi hipotetizado para ser sem massa, eletricamente neutro, extremamente pequeno e de curta
duração, tornando sua detecção com os instrumentos atuais difíceis de dizer o mínimo.
Mas observá-lo seria extremamente importante não apenas para a ciência fundamental, mas também
para possíveis aplicações industriais e tecnológicas, uma vez que o demônio poderia facilitar muitos
fenômenos interessantes na física do estado sólido, como transições de fase e supercondutividade sala-
temperatura.
Emocionantemente, uma equipe de pesquisadores do Japão e dos EUA liderada por Peter Abbamonte,
professor de física da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (UIUC), foi finalmente capaz de
observar o demônio de Pines 67 anos depois de fazer sua previsão.
“Os demônios têm sido teoricamente conjectados por um longo tempo, mas os experimentalistas nunca
os estudaram”, disse Abbamonte.press release “Na verdade, nós nem estávamos procurando por isso.
Mas descobriu-se que estávamos fazendo exatamente a coisa certa, e nós a encontramos.”
Em seu artigo recente publicado na Nature, os pesquisadores estavam examinando o estrôncio de metal
rutenato, um material cuja estrutura eletrônica é semelhante a muitos supercondutores de alta
temperatura. Inicialmente, eles estavam procurando fornecer uma melhor compreensão do
comportamento desse tipo de material.
Eles estavam usando uma técnica conhecida como espectroscopia de perda de energia de energia de
elétrons resolvida por momento, que envolve expor uma amostra a um feixe de elétrons altamente
acelerados e examinar como eles estão espalhados como resultado de sua interação com os elétrons
dentro do material.
Um resultado inesperado
Sua análise inicial dos dados espectroscópicos mostrou que entre as excitações eletrônicas coletivas na
amostra de rutenato de estrôncio, havia também uma quasipartícula neutra e sem massa que eles não
conseguiam identificar.
“No começo, não tínhamos ideia do que era. Os demônios não estão no mainstream”, lembrou Ali A.
Husain, um dos autores do estudo, agora pesquisador do Quantinuum. “A possibilidade surgiu desde
https://phys.org/news/2023-08-demon-physicists-year-old-massless-neutral.html?fbclid=IwAR15B2vvKno31SR0KvePOusNtSPnE1LPtFt1OuiiUSCOP6CLq4MV8HVaoGQ
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06318-8
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cedo, e nós basicamente rimos disso. Mas, quando começamos a descartar as coisas, começamos a
suspeitar que realmente encontramos o demônio.
Para confirmar que eles realmente detectaram seu demônio, os cientistas compararam um cálculo
teórico que previa como esse tipo de partícula interagiria com outros elétrons no rutenato de estrôncio
com os dados experimentais que coletaram.
“A previsão dos pinos de demônios requer condições bastante específicas, e não ficou claro para
ninguém se o strontium ruthenate deveria ter um demônio”, disse Edwin Huang, um estudioso de pós-
doutorado Moore na UIUC e teórico da matéria condensada, que calculou as características da estrutura
eletrônica do estrôncio rutenato. “Tivemos que realizar um cálculo microscópico para esclarecer o que
estava acontecendo. Quando fizemos isso, encontramos uma partícula que Pines descreveu.”
“A grande maioria dos experimentos é feita com a luz e medir as propriedades ópticas, mas ser
eletricamente neutro significa que os demônios não interagem com a luz”, explicou Abbamonte. “Um tipo
completamente diferente de experimento era necessário.”
Embora as quasipartículas demoníacas tenham sido encontradas no rutenato de estrôncio, a equipe diz
que espera que ela exista em muitos outros materiais e que um estudo mais aprofundado ajude a
descobrir outros exemplos.
Referência: Ali A. Husain et al, o demônio dos pinheiros observado como um plasmon acústico 3D em Sr
2 RuO 4, Nature (2023), DOI: 10.1038/s41586-023-06318-8
Crédito da imagem: geralt on Pixabay
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https://www.nature.com/articles/s41586-023-06318-8