Anyons circulam pelo Hall

Nas aulas de mecânica quântica, os alunos de física aprendem que toda partícula ou é um bóson – partículas felizes em permanecer juntas em um número ilimitado no mesmo “estado quântico” (uma lista de propriedades, como posição, velocidade, spin e energia) – ou é um férmion -- partículas “anti-sociais” que evitam seus semelhantes e insistem em ocupar sozinhos um estado.
Agora, na Physical Review B de agosto, uma equipe mostrou que certas “quasipartículas” associadas com elétrons não são nem bósons, nem férmions - estão na “coluna do meio”. Elas são os “anyons”. Além disso, na Physical Review Letters de outubro, outra equipe propôs uma nova técnica experimental que poderia revelar suas propriedades de uma maneira independente. Os novos dados confirmam suspeitas prévias de que anyons poderiam existir, e os experimentos propostos podem fortalecer ainda mais as evidências.
Há quase 30 anos atrás pesquisadores propuseram essa nova categoria de partículas. Um número limitado de anyons podeira habitar um único estado. Ninguém havia observado esta propriedade diretamente, mas muitos pesquisadores acreditavam que o estranho estado dos elétrons observado nos anos 1990 no efeito Hall quântico fracionário(HQF) podia ser um anyon. Efeito Hall quântico fracionário
No efeito HQF, cada elétron viajando em uma fina tira condutora atravessada por um forte campo magnético liga-se com vários “vórtices”, minúsculos redemoinhos de corrente elétrica fluindo em torno das linhas do campo de força eletromagnético, formando “quasipartículas”, partículas feitas de partículas mais fundamentais. Os vórtices “encobrem” a carga no elétron fazendo com que as quasipartículas tenham carga fracionária. Uma quasipartícula feita de dois vórtices e um elétron, por exemplo, teria 1/3 da carga do elétron.
Experimentos demonstraram a existência das “quasipartículas”, mas os pesquisadores não verficaram se elas eram anyons. A dança dos anyons
Agora Vladimir Goldman e seus colegas na Universidade de Stony Brook, Nova York, EUA, dizem ter conseguido. Eles prepararam duas regiões em seu dispositivo HQF, uma “ilha” central com quasipartículas com 1/5 da carga do elétron e um anel estreito ao redor dela onde as quasipartículas tinham 1/3 de carga. Ao variar o campo magnético, os pesquisadores mediram as alterações na condutividade elétrica ao redor do anel. Eles encontraram exatamente a variação que a teoria prevê para os dois tipos de anyons.
Para ver porque a medida de um conjunto de partículas orbitando ao redor de outro conjunto poderia revelar se ambos conjuntos são anyons, precisamos entender melhor a definição do que é um anyon. Na tira condutora da experiência, os elétrons são resfriados de maneira que só se movimentam em um plano. No mundo real, anyons só podem existir em um plano. Isso porque só em um plano, quando duas partículas trocam de lugar é possível que “a função de onda”, a fórmula matemática para calcular as probabilidades dos valores de suas propriedades, mude de um modo que não é próprio nem de um bóson, nem de um férmion. Se você imaginar duas partículas primeiro em repouso, e então se movendo lentamente uma em torno da outra, e então retornando aos seus lugares iniciais, o processo parece algo como a órbita mútua de duas estrelas em um sistema estelar binário, ou dançarinos executando um do-si-do. Mas essa troca dupla é equivalente a uma partícula permanecer parada enquanto a outra orbita em torno dela. Os experimentos de Goldamn essencialemente detectaram essa alteração na função de onda resultante de tal movimento relativo de anyons. Ruídos diferentes
Enquanto isso, Eduardo Fradkin e seus colegas na Universidade de Ilinois em Urbana-Champaign, Ilinois, EUA, criaram o que eles afirmam ser uma maneira mais simples de observar o comportamento anyônico. Eles propuseram colocar três eletrodos em uma tira HQF, de modo que suas pontas separadas formem um triângulo. Se dois dos eletrodos se mantiverem a mesma voltagem, correntes viajariam de cada um deles para o terceiro eletrodo, que se manteria em uma voltagem diferente. Os portadores de carga interfeririam uns com os outros de maneira que depende diretamente de seu caráter anyônico, e esta interferência se mostraria em medidas comparando flutuações aleatórias – o “ruído” elétrico – nas duas correntes.Computadores quânticos
Frank Wilczek do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que inventou o nome “anyon” alguns anos atrás, disse que os resultados da equipe de Goldman são “uma coisa linda” e que evidências de experimentos do tipo proposto pelo grupo de Fradkin poderiam solidificar ainda mais a teoria dos anyons. Wilczek também nota que as regras que descrevem o movimento dos anyons em sistemas HQF podeiram ser usados para codificar informação. O anyons seriam a base para computadores quânticos. Tais idéias são “futurísticas”, ele disse, “mas não tão malucas quanto costumavam ser.”