Trabalho teórico realizado por um trio de pesquisadores, dentre os quais um brasileiro, pode ajudar a compreender o estranho comportamento de partículas confinadas a estruturas bidimensionais, ou seja, estruturas que têm espessura de um único átomo. O estudo pode ajudar no desenvolvimento de tecnologias para a computação quântica, que explora o comportamento quântico de partículas para realizar operações inacessíveis por meio da computação tradicional.
Num espaço tridimensional (3D) e do ponto de vista estatístico, as partículas podem ser classificadas em dois tipos básicos: os férmions, que compõem os familiares prótons, nêutrons e elétrons, além de outras subpartículas menos conhecidas, e os bósons, que mediam as interações devidas às forças da natureza, como as que mantêm os núcleos coesos (os glúons) e as interações eletromagnéticas (os fótons).
Em 3D, quando se tem uma coleção de bósons idênticos, a troca entre as coordenadas de dois deles não modifica o estado quântico do sistema. Para os férmions, o mesmo procedimento leva a uma troca de sinal do estado quântico coletivo.
Até aí os conceitos são bem conhecidos. A surpresa ocorre quando essas mesmas partículas estão em um ambiente bidimensional: pode resultar um tipo exótico de partícula, denominada “anyon”, neologismo inspirado em any (qualquer em inglês). Nesse caso a permuta de um par faz com o estado quântico mude de forma intermediária – nem se mantendo igual, como os bósons, nem invertendo o sinal, como os férmions no espaço tridimensional, mas adquirindo uma fase exp(i f) com p < f < 2p. Como os casos 3D correspondem aos limites f=p e f=2p respectivamente, ou seja, um numero inteiro de p, a estatística de anyons é conhecida como “estatística fracionária”.
Os autores Armin Rahmani e Ivar Martin, do Laboratório Nacional de Los Alamos, nos EUA, e Rodrigo Muniz, do Instituto Internacional de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), em Natal, afirmam que o comportamento anyonico já foi identificado em heteroestruturas semicondutoras (camadas finíssimas de materiais distintos, justapostas) que, sob um campo magnético forte e a baixas temperaturas, exibem o chamado efeito Hall quântico fracionário. Segundo eles, “as excitações elementares desses sistemas têm uma fração da carga de um elétron e obedecem à estatística fracionária que é característica dos anyons”. Acreditava-se não ser possivel sustentar a estatística fracionária em sistemas exibindo apenas o efeito Hall inteiro, com excitações de carga inteira, que seriam sempre férmions. O trabalho apresenta resultados obtidos teoricamente para sistemas magnéticos específicos onde se manifestam o efeito Hall quântico inteiro e estatística anyonica, demonstrando que essa restrição vinculando estatística fracionária a efeito Hall fracionário não é verdadeira.
O trabalho foi publicado em 21 de agosto na revista “Physical Review X” e pode ser lido na íntegra aqui.