{"id":26350,"date":"2025-04-10T12:05:34","date_gmt":"2025-04-10T15:05:34","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sbfisica.org.br\/v1\/sbf\/?p=26350"},"modified":"2025-04-10T12:05:34","modified_gmt":"2025-04-10T15:05:34","slug":"cientista-da-ufsc-descreve-cinco-modos-de-excitacao-ineditos-em-quasecristais-quanticos-bosonicos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbfisica.org.br\/v1\/sbf\/cientista-da-ufsc-descreve-cinco-modos-de-excitacao-ineditos-em-quasecristais-quanticos-bosonicos\/","title":{"rendered":"Cientista da UFSC descreve cinco modos de excita\u00e7\u00e3o in\u00e9ditos em quasecristais qu\u00e2nticos bos\u00f4nicos"},"content":{"rendered":"
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No \u00faltimo dia 2 de abril, o peri\u00f3dico Physical Review Letters \u2014 uma das publica\u00e7\u00f5es cient\u00edficas mais prestigiadas no campo da f\u00edsica \u2014 divulgou o artigo Low-Energy Excitations in Bosonic Quantum Quasicrystals<\/a> que lan\u00e7a novas luzes sobre um dos estados mais ex\u00f3ticos da mat\u00e9ria: os quasicristais qu\u00e2nticos. O trabalho \u00e9 assinado por uma equipe internacional de pesquisadores, entre eles o professor Alejandro Mendoza, da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), que figura como um dos autores principais da pesquisa. O artigo recebeu destaque do pr\u00f3prio jornal no portal Physics Synopsis<\/a> onde a publica\u00e7\u00e3o foi divulgada em linguagem mais acess\u00edvel para o grande p\u00fablico.<\/p>\n\n\n\n

A publica\u00e7\u00e3o \u00e9 fruto de uma constru\u00e7\u00e3o te\u00f3rica de primeiros princ\u00edpios, com foco na descri\u00e7\u00e3o das excita\u00e7\u00f5es de baixa energia em quasicristais qu\u00e2nticos formados por b\u00f3sons \u2014 part\u00edculas que obedecem \u00e0 estat\u00edstica de Bose-Einstein, como os \u00e1tomos que formam os condensados em temperaturas ultrafrias. O estudo prop\u00f5e uma teoria el\u00e1stica generalizada que preserva os graus de liberdade necess\u00e1rios para descrever os modos coletivos sem lacunas de energia (gapless), que surgem naturalmente nesse tipo de sistema.<\/p>\n\n\n\n

Quasicristais s\u00e3o estruturas que desafiam a tradicional classifica\u00e7\u00e3o entre s\u00f3lido cristalino e s\u00f3lido amorfo. Possuem uma ordem orientacional de longo alcance, mas sem a periodicidade t\u00edpica dos cristais convencionais. Descobertos inicialmente em ligas met\u00e1licas nos anos 1980, os quasicristais passaram a ser observados em contextos cada vez mais diversos, incluindo sistemas com \u00e1tomos ultrafrios, onde a intera\u00e7\u00e3o entre part\u00edculas pode ser manipulada com alto grau de controle.<\/p>\n\n\n\n

Mendoza, que recentemente teve um artigo publicado sobre a forma\u00e7\u00e3o de fases superquasicristalinas<\/a> em sistemas dipolares, explica ao Boletim SBF<\/strong> a diferen\u00e7a entre o cen\u00e1rio considerado anteriormente e o novo trabalho: na publica\u00e7\u00e3o anterior os \u00e1tomos formam o padr\u00e3o quasicristalino devido \u00e0 presen\u00e7a de armadilhas criadas externamente com feixes de laser, neste caso \u00e9 o padr\u00e3o de interfer\u00eancia da luz que determina a estrutura. No novo cen\u00e1rio, que \u00e9 o foco do estudo mais recente, a estrutura se forma de maneira espont\u00e2nea, sem a imposi\u00e7\u00e3o de um potencial externo.<\/p>\n\n\n\n

Nesse cen\u00e1rio, os \u00e1tomos est\u00e3o confinados a um plano \u2014 um sistema essencialmente bidimensional \u2014 e s\u00e3o excitados por um laser em movimento. Essa excita\u00e7\u00e3o altera o estado interno dos \u00e1tomos, levando-os a interagir entre si de modo a formar, por si mesmos, a estrutura quasicristalina. Ou seja, \u00e9 o pr\u00f3prio sistema que \u201cdecide\u201d como se organizar, sem uma armadilha for\u00e7ando isso.<\/p>\n\n\n\n

Mais do que estudar a estrutura em si, o trabalho foca em aspectos fundamentais: como essa estrutura evolui no tempo, quais s\u00e3o suas propriedades estat\u00edsticas e, sobretudo, como ela reage a pequenas perturba\u00e7\u00f5es. O interesse est\u00e1 em entender que tipos de excita\u00e7\u00f5es \u2014 ou modos de vibra\u00e7\u00e3o \u2014 surgem nesse sistema quando ele \u00e9 levemente perturbado, como se quis\u00e9ssemos observar as ondula\u00e7\u00f5es formadas ao jogar uma pedra em um lago tranquilo.<\/p>\n\n\n\n

No caso desse quasicristal bidimensional, a pesquisa revela algo surpreendente: a exist\u00eancia de cinco tipos distintos de excita\u00e7\u00f5es. Cada um desses modos representa uma forma diferente com que a estrutura pode vibrar ou responder a est\u00edmulos externos, revelando uma riqueza din\u00e2mica incomum para sistemas bidimensionais.  Mendoza explica que a literatura cient\u00edfica j\u00e1 discutia, desde 2014, a possibilidade desses cinco modos de vibra\u00e7\u00e3o, mas o estudo do qual participou \u00e9 o primeiro a desenvolver uma teoria que comprova esses ‘sons’ da mat\u00e9ria.<\/p>\n\n\n\n

No artigo, os autores exploram as estruturas quaseperi\u00f3dicas bidimensionais mais relevantes: octagonais (com simetria de rota\u00e7\u00e3o em Pi\/4), decagonais (com simetria de rota\u00e7\u00e3o em Pi\/5) e dodecagonais (com simetria de rota\u00e7\u00e3o em Pi\/6). A exist\u00eancia de cinco modos coletivos de excita\u00e7\u00e3o sem lacuna de energia nessas estruturas era algo que, at\u00e9 ent\u00e3o, havia sido previsto apenas por argumentos baseados em simetria. A demonstra\u00e7\u00e3o direta a partir da a\u00e7\u00e3o microsc\u00f3pica do sistema representa um avan\u00e7o significativo na compreens\u00e3o te\u00f3rica dessas fases da mat\u00e9ria.<\/p>\n\n\n\n

Um aspecto particularmente interessante do estudo \u00e9 a an\u00e1lise da hibridiza\u00e7\u00e3o entre diferentes tipos de excita\u00e7\u00f5es: f\u00f4nons (relacionados \u00e0s vibra\u00e7\u00f5es do meio), f\u00e1sons (associados \u00e0 liberdade de reorganiza\u00e7\u00e3o interna da estrutura quaseperi\u00f3dica) e o modo sonoro do condensado de b\u00f3sons. A maneira como esses modos se combinam depende da simetria do quasicristal. No caso das estruturas dodecagonais e decagonais, os modos coletivos mant\u00eam uma velocidade de propaga\u00e7\u00e3o isotr\u00f3pica \u2014 ou seja, a mesma em todas as dire\u00e7\u00f5es. J\u00e1 nos quasecristais octagonais o acoplamento entre f\u00f4nons e f\u00e1sons d\u00e1 origem a uma velocidade do som anisotr\u00f3pica, que varia conforme a dire\u00e7\u00e3o da propaga\u00e7\u00e3o, al\u00e9m de gerar excita\u00e7\u00f5es com car\u00e1ter misto entre os componentes longitudinal e transversal.<\/p>\n\n\n\n

\u201cNesse caso, por se tratar de um quasicristal \u2014 uma estrutura mais ex\u00f3tica \u2014, surgem dois modos adicionais de excita\u00e7\u00e3o, conhecidos na literatura como f\u00e1sons. Eles s\u00e3o bem particulares. Os f\u00f4nons, por outro lado, s\u00e3o mais familiares: fazem a estrutura vibrar e se deformar suavemente. \u00c9 o que voc\u00ea esperaria, por exemplo, em um sistema de massas ligadas por molas \u2014 quando voc\u00ea desloca uma delas da posi\u00e7\u00e3o de equil\u00edbrio, a perturba\u00e7\u00e3o se propaga como uma onda, deformando levemente a estrutura, mas sem causar um rearranjo real dos \u00e1tomos. Eles apenas oscilam em torno de suas posi\u00e7\u00f5es originais, e a estrutura, como um todo, se mant\u00e9m\u201d, explica Mendoza.<\/p>\n\n\n\n

\u201cCom os f\u00e1sons, a hist\u00f3ria \u00e9 diferente. Eles podem provocar rearranjos na estrutura durante a propaga\u00e7\u00e3o da onda. E a\u00ed est\u00e1 justamente a ess\u00eancia do quasicristal: mesmo com esses rearranjos, a estrutura n\u00e3o perde sua identidade quasicristalina. Isso acontece porque existem infinitas formas diferentes de organizar um quasicristal que, embora pare\u00e7am distintas num olhar superficial, pertencem \u00e0 mesma classe estrutural. Os f\u00e1sons s\u00e3o rearranjos das part\u00edculas que permitem ao sistema \u2018migrar\u2019 de uma configura\u00e7\u00e3o para outra, mantendo a mesma ess\u00eancia estrutural, ainda que a apar\u00eancia mude\u201d, continua o cientista.<\/p>\n\n\n\n

O estudo tamb\u00e9m investiga como essas excita\u00e7\u00f5es se comportam nas fronteiras entre diferentes fases termodin\u00e2micas \u2014 por exemplo, entre a fase quasicristalina e as fases de baixa ou alta densidade \u2014, o que pode ter implica\u00e7\u00f5es importantes para experimentos com gases at\u00f4micos ultrafrios. Plataformas experimentais com \u00e1tomos confinados em armadilhas \u00f3pticas j\u00e1 observaram ind\u00edcios dessas fases em laborat\u00f3rio, e a teoria proposta fornece um arcabou\u00e7o robusto para interpretar tais observa\u00e7\u00f5es.<\/p>\n\n\n\n

A abordagem adotada por Mendoza e seus colegas parte da formula\u00e7\u00e3o por integrais de caminho da fun\u00e7\u00e3o de parti\u00e7\u00e3o do sistema, mantendo uma conex\u00e3o direta com as propriedades microsc\u00f3picas do modelo. Isso permite n\u00e3o apenas a descri\u00e7\u00e3o precisa das excita\u00e7\u00f5es de baixa energia, mas tamb\u00e9m o acesso a uma s\u00e9rie de propriedades termodin\u00e2micas relevantes, como susceptibilidades e coeficientes de resposta. A metodologia desenvolvida poder\u00e1 ser aplicada em diversos contextos onde h\u00e1 competi\u00e7\u00e3o entre m\u00faltiplas escalas de comprimento \u2014 uma das condi\u00e7\u00f5es fundamentais para o surgimento de quasicristais.<\/p>\n\n\n\n

Entre as perspectivas futuras apontadas pelos autores est\u00e1 a extens\u00e3o da teoria para sistemas de estado s\u00f3lido, como o grafeno bicamada torcido (Twisted Bilayer Graphene). Os padr\u00f5es de interfer\u00eancia moir\u00e9 que surgem nesse material criam estruturas quasiperi\u00f3dicas em escalas nanom\u00e9tricas, tornando-o um candidato natural para a realiza\u00e7\u00e3o de quasecristais qu\u00e2nticos eletr\u00f4nicos. O tratamento desse caso exigir\u00e1 novos elementos na teoria, como o acoplamento entre camadas e entre os el\u00e9trons e a rede cristalina.<\/p>\n\n\n\n

\u201cA principal import\u00e2ncia do nosso trabalho est\u00e1, sem d\u00favida, na pesquisa b\u00e1sica. Mas, diferente de estudos anteriores \u2014 nos quais explor\u00e1vamos principalmente as fases da mat\u00e9ria \u2014, este trabalho vai al\u00e9m: ele prop\u00f5e uma nova teoria, uma metodologia que pode ser aplicada ao estudo de sistemas qu\u00e2nticos modulados em geral. Acreditamos que a t\u00e9cnica que apresentamos aqui tem potencial para ser utilizada em diversos contextos\u201d, afirma.<\/p>\n\n\n\n

\u201cInclusive, j\u00e1 come\u00e7amos a adapt\u00e1-la para investigar sistemas supers\u00f3lidos, que s\u00e3o sistemas semelhantes aos que estudamos agora, mas com uma estrutura peri\u00f3dica. Supers\u00f3lidos s\u00e3o fases cristalinas \u2014 com uma organiza\u00e7\u00e3o espacial definida \u2014, mas que ao mesmo tempo mant\u00eam propriedades de superfluidez internamente. Parece algo contraintuitivo, quase imposs\u00edvel: um sistema que \u00e9 s\u00f3lido e superfluido ao mesmo tempo. Mas o mundo qu\u00e2ntico permite esse tipo de comportamento ex\u00f3tico. Nossa expectativa \u00e9 que essa metodologia se torne uma ferramenta \u00fatil e amplamente aplicada no estudo da mat\u00e9ria condensada. Se isso acontecer, consideraremos esse trabalho um verdadeiro sucesso.\u201d<\/p>\n\n\n\n

O destaque do artigo na Physical Review Letters marca n\u00e3o apenas uma conquista pessoal para o professor Alejandro Mendoza, como tamb\u00e9m uma importante contribui\u00e7\u00e3o da ci\u00eancia brasileira ao cen\u00e1rio internacional da f\u00edsica te\u00f3rica da mat\u00e9ria condensada. Combinando rigor matem\u00e1tico, eleg\u00e2ncia conceitual e relev\u00e2ncia experimental, o estudo refor\u00e7a o papel das universidades p\u00fablicas brasileiras na produ\u00e7\u00e3o de conhecimento de ponta \u2014 mesmo em \u00e1reas de complexidade extrema, como a f\u00edsica qu\u00e2ntica de muitos corpos.<\/p>\n\n\n\n

(Colaborou Roger Marzochi)<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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