Criado primeiro condensado de Bose-Einstein de quasipartículas

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Quase-CBE

Físicos criaram o primeiro condensado de Bose-Einstein feito de quasipartículas, entidades que não contam como partículas elementares, mas que ainda podem ter propriedades de partículas elementares, como carga e spin.

Os condensados de Bose-Einstein, ou CBEs, são conhecidos como o quinto estado da matéria, ao lado de sólidos, líquidos, gases e plasmas. De fato, são talvez o estado mais estranho da matéria, com muito sobre eles permanecendo desconhecido pela ciência.

Previstos teoricamente no início do século 20 por Albert Einstein e Satyendra Bose, os condensados só foram criados em laboratório em 1995. Eles se formam quando um grupo de átomos, tipicamente de rubídio, é resfriado a apenas milionésimos de graus acima do zero absoluto. Nessa temperatura, todos os átomos passam a se comportar como um só, compartilhando o mesmo estado quântico, quase como os fótons em um laser – por isso o condensado de Bose-Einstein também é conhecido como “átomo artificial” ou “superátomo”.

Há décadas os físicos discutem se seria possível forçar quasipartículas a passar pelo processo de condensação de Bose-Einstein, e Yusuke Morita e colegas da Universidade de Tóquio acabam de demonstrar que sim, é possível.

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Quasipartículas

A maioria dos CBEs é produzida a partir de gases diluídos de átomos comuns, de modo que havia um grande esforço para criar um CBE feito de átomos exóticos.

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Átomos exóticos são átomos nos quais uma partícula subatômica, como um elétron ou um próton, é substituída por outra partícula subatômica com a mesma carga. O positrônio, por exemplo, é um átomo exótico feito de um elétron e sua antipartícula carregada positivamente, um pósitron.

Outro exemplo é o exciton: Quando a luz atinge um semicondutor, a energia é suficiente para “excitar” os elétrons a saltar do nível de valência de um átomo para o nível de condução. Esses elétrons excitados então fluem livremente em uma corrente elétrica – essencialmente transformando a energia da luz em energia elétrica.

Quando o elétron, carregado negativamente, realiza esse salto, o espaço deixado para trás, ou lacuna, pode ser tratado como se fosse uma partícula carregada positivamente. O elétron negativo e a lacuna positiva são atraídos e ficam ligados, sem se aniquilarem imediatamente.

É este par elétron-lacuna que constitui uma quasipartícula, eletricamente neutra, chamada exciton. E os excitons vêm em dois sabores: ortoexcitons, nos quais o spin do elétron é paralelo ao spin de sua lacuna, e paraexcitons, nos quais o spin do elétron é antiparalelo (paralelo, mas na direção oposta) ao de sua lacuna.

Foi este último tipo, o paraexciton, que a equipe usou para formar o primeiro condensado de Bose-Einstein de quasipartículas porque ele tem um tempo de vida longo o suficiente para poder ser resfriado até próximo do zero absoluto.

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CBE de quasipartículas

A equipe criou os paraexcitons em um filme de óxido cuproso (Cu₂O), um composto de cobre e oxigênio de grande interesse tecnológico, da fotossíntese artificial aos computadores quânticos de luz.

Gerados no Cu₂O, os paraexcitons chegaram a 64 milikelvins dentro de um refrigerador de diluição, do mesmo tipo usado para manter os processadores quânticos. A equipe conseguiu fazer medições de precisão, incluindo a densidade e a temperatura dos excitons, o que permitiu traçar as diferenças e semelhanças entre o CBE de quasipartículas e o CBE atômico regular.

Atualmente, os CBEs continuam sendo objeto de pesquisas básicas e para simular sistemas de matéria condensada, mas, em princípio, eles têm aplicações no processamento de informações quânticas. A computação quântica, ainda nos estágios iniciais de desenvolvimento, faz uso de vários sistemas diferentes, todos dependendo de qubits, que estão no mesmo estado quântico, e os CBEs cumprem esse requisito.

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Fonte: Inovação Tecnologia 

Artigo: Observation of Bose-Einstein condensates of excitons in a bulk semiconductor

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