Descoberta uma nova quasipartícula: o Pi-ton

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/02/2020

Dois elétrons e duas lacunas, conjugados pela injeção de um fóton, mantêm-se juntos, formando a quasipartícula Π-ton.
[Imagem: TU Vienna]

Π-ton

Existem tipos muito diferentes de partículas: Partículas elementares são os blocos fundamentais da matéria. Os átomos, por exemplo, são estados "ligados" - ou associados - que consistem em vários constituintes menores, como os quarks.

E existem as chamadas "quasipartículas" - excitações em um sistema formadas por muitas partículas, mas que se comportam em conjunto exatamente como se fossem uma única partícula.

É uma dessas partículas complexas - batizada de Π-ton - que foi descoberta por Anna Kauch e seus colegas da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria.

Além de descrever o comportamento da Pi-ton em simulações, a equipe indicou também o caminho para que os experimentalistas possam detectá-la no laboratório.

Quasipartículas

A quasipartícula mais simples e mais conhecida é a lacuna, a portadora de carga positiva. Quando um elétron, que é a portadora de carga negativa, se move, ele deixa uma lacuna em seu lugar. Não parece haver nada de concreto lá - daí o nome lacuna - mas aquela "ausência de elétron" se comporta de muitas maneiras como se fosse uma partícula.

No entanto, diferentemente de um elétron, que também pode ser observado fora de um cristal, a lacuna existe apenas em conjunto com as outras partículas. É por essas e outras que ela é interpretada como uma quasipartícula.

Mas existem quasipartículas mais complexas, como os éxcitons, que desempenham um papel central na física dos semicondutores, estando na base do funcionamento de vários componentes de hardware. O éxciton é um estado ligado de um elétron e uma lacuna, que é criado quando a luz atinge um material. Em vez de o elétron e a lacuna se aniquilarem, eles formam uma ligação, e esse estado ligado é uma quasipartícula.

Pi-ton

Anna e suas colegas Petra Pudleiner e Katharina Astleithner estavam estudando justamente os éxcitons quando perceberam que seus cálculos estavam mostrando algo bem mais amplo do que o esperado: elétrons e lacunas não precisam se ligar apenas aos pares.

De fato, os cálculos mostraram a possibilidade de que dois elétrons se liguem a duas lacunas, formando uma quasipartícula inédita: elas a chamaram de Pi-ton, ou Π-ton.

"O nome pi-ton vem do fato de que os dois elétrons e as duas lacunas são mantidos juntos por flutuações de densidade de carga ou flutuações de spin que sempre invertem seu caráter em 180 graus de um ponto da rede cristalina para o próximo - ou seja, por um ângulo de pi, medido em radianos," disse Anna.

"Essa mudança constante de mais para menos pode ser imaginada como uma mudança de preto para branco em um tabuleiro de xadrez," ilustrou Petra.

Tal como o éxciton, o pi-ton é criado espontaneamente quando o material absorve um fóton. Quando a quasipartícula se desmancha, um fóton é emitido novamente.

"Embora estejamos constantemente cercados por inúmeras quasipartículas, a descoberta de uma nova espécie de quasipartícula é algo muito especial. Além do éxciton, agora existe também o pi-ton. De qualquer forma, isso contribui para uma melhor compreensão do acoplamento entre luz e sólidos, um tópico que desempenha um papel importante não apenas na pesquisa básica, mas também em muitas aplicações técnicas - da tecnologia dos semicondutores à energia fotovoltaica," disse o professor Karsten Held.

Bibliografia:

Artigo: Generic Optical Excitations of Correlated Systems: π-tons
Autores: Anna Kauch, Petra Pudleiner, Katharina Astleithner, P. Thunström, T. Ribic, Karsten Held
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 124, 047401
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.047401

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