Detalhes de tijolos de construção de natureza estranha

As estranhas propriedades dos cupratos supercondutores não são descritas pelos métodos conhecidos da mecânica quântica, mas podem ser associadas às propriedades dos buracos negros de dimensões mais altas.

De acordo com a moderna teoria quântica, o universo é perfurado por campos de energia, e a onda de energia nesses campos, chamada "partículas" se parecer mais com um ponto, ou "ondas" se for mais manchada, serve como blocos de construção da matéria e das forças de ação. Novas descobertas sugerem que essa visão de ondas / partículas apenas descreve superficialmente os componentes do universo.

Se imaginarmos cada campo de energia preenchendo o espaço como a superfície de uma lagoa e as ondas e as partículas como distúrbios dessa superfície, novas evidências sugerem a existência de um mundo vivo oculto sob a superfície.

Durante décadas, a descrição dos fenômenos subatômicos na “superfície da lagoa” foi suficiente para cálculos precisos da maioria dos fenômenos físicos. Recentemente, porém, os físicos arrastaram para as profundezas subatômicas uma nova e estranha classe de matéria que resiste à descrição usando métodos quânticos conhecidos.

"Eu cresci na física vivendo nesta superfície plana", disse Subir Sachdev , professor de física da Universidade de Harvard que estuda essas formas estranhas de matéria. E agora, segundo ele, uma dimensão totalmente nova apareceu e "você pode imaginar que as partículas estão apenas terminando nesta superfície".

De todos os tipos incomuns de matéria, cupratos - metais contendo cobre que exibem supercondutividade em alta temperatura - podem ser os mais incomuns. Em um novo estudo publicado no jornal de alta energia Journal of High Energy Physics, físicos da Universidade da Califórnia em Santa Barbara estudaram fenômenos associados ao misterioso comportamento "superficial" dos cupratos. Concentrando-se em seus cálculos no meio abaixo da superfície, os pesquisadores derivaram a fórmula de condutividade de cuprato, anteriormente conhecida apenas em experimentos.

"É incrível que você possa começar com essa teoria e, de repente, obter a condutividade desses estranhos supercondutores", diz Sachev, não relacionado a este trabalho.

Os resultados sustentam evidências de que a nova maneira de descrever os tijolos da natureza é real e "surpreendentemente literal", diz Jan Zaanen, físico teórico da Universidade de Leiden, na Holanda.

Além disso, os resultados podem ser interpretados como evidência indireta da teoria das cordas - uma plataforma de 40 anos que costura a mecânica quântica com gravidade, que, por um lado, é matematicamente elegante e possui profundas habilidades explicativas e, por outro, ainda não foi comprovada.

Os cientistas também argumentam que essas descobertas podem ter consequências de longo alcance em assuntos relacionados à matéria escura - uma substância misteriosa que compõe 84% da massa do Universo -, bem como na busca de uma "teoria de tudo" que descreva matematicamente toda a natureza.

"Há uma chance real de que, nos próximos anos, haja um progresso sem precedentes na física fundamental", diz Zaanen. "Tudo está se desenvolvendo muito, muito rápido."

Abaixo da superfície

Se ondas e partículas são perturbações na superfície da lagoa, então a relação entre essa perturbação e o que acontece em profundidade foi descrita pela primeira vez por um princípio matemático, descoberto em 1997. Em um trabalho de referência, Juan Maldacena, que trabalhava na Universidade de Harvard e agora no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, mostrou que os eventos que ocorrem em uma região tridimensional do espaço correspondem matematicamente a eventos completamente diferentes que ocorrem na fronteira bidimensional da região. (Eventos no espaço quadridimensional também correspondem a eventos tridimensionais etc.)

Considere nossa lagoa tridimensional e sua superfície bidimensional. Para que essa correspondência funcione, o interior da lagoa deve ser descrito pela teoria das cordas, na qual elétrons, fótons, gravitons e todos os outros tijolos do universo aparecem na forma de minúsculas linhas unidimensionais, ou "cordas". Massa e outras propriedades macroscópicas correspondem a vibrações de cordas, e as interações entre diferentes tipos de matéria e forças dependem de como as cordas se dividem e se combinam. Essas cordas vivem dentro da lagoa.

Agora imagine que a superfície bidimensional de uma lagoa é descrita pela mecânica quântica. Partículas são explosões na superfície e ondas são ondas de explosões. Não há gravidade na superfície de um lago imaginário.



A descoberta de Maldacena, conhecida como dualidade holográfica, mostrou que eventos dentro de uma região, incluindo a gravidade e descritos pela teoria das cordas, são matematicamente transformados em eventos na superfície que não estão experimentando a gravidade e descritos por teorias de partículas quânticas.

"Para entender essa conexão, é necessário levar em consideração o principal - quando a teoria da gravidade é fácil de analisar, as partículas na borda - ou, no nosso caso, na superfície da lagoa - interagem fortemente entre si", disse Maldasena. O inverso também é verdadeiro: quando as partículas na superfície são calmas, como ocorre na maioria dos tipos de matéria, a situação nas profundezas da lagoa é extremamente complicada.

Devido a esse contraste, o dualismo é muito útil.

Uma classe estranha de materiais, que inclui cupratos, pertence à primeira categoria; experimentos mostram que nesses materiais as partículas interagem tão fortemente entre si que perdem sua individualidade. Os físicos dizem que as partículas "se correlacionam fortemente". As ondulações correspondentes a cada partícula se sobrepõem tão fortemente que ocorre um efeito de enxame. A matéria fortemente correlacionada pode se comportar de maneira atípica e incomum, de modo que, em alguns casos, esse comportamento não pode ser descrito por métodos conhecidos da mecânica quântica, diz Sean Hartnoll, professor de física da Universidade de Stanford. "Você precisa descrevê-los de uma maneira diferente daquela que começa com a descrição de uma partícula individual", diz ele. "Você não pode descrever o oceano através de moléculas de água individuais".

Se matéria com uma forte correlação "vive" na superfície bidimensional da lagoa, então, do dualismo holográfico, segue-se que turbulência extrema na superfície é equivalente a calma em profundidade. Os físicos podem obter uma descrição da situação na superfície estudando uma situação paralela, mas muito mais simples, em profundidade. "Neste mundo calmo, você pode fazer cálculos", disse Zaanen.

Na expressão matemática do dualismo holográfico, uma certa matéria com forte correlação em duas dimensões corresponde a buracos negros em três dimensões - objetos infinitamente densos com atração gravitacional, que não podem ser evitados - e são matematicamente bastante simples. "Esses efeitos coletivos extremamente complexos da mecânica quântica surpreendentemente se enquadram no campo da física dos buracos negros", disse Hong Liu, professor associado de física no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. "Em sistemas com forte correlação, quando você coloca um elétron lá, ele imediatamente" desaparece "- não pode mais ser rastreado." Isso é comparável ao modo como um objeto cai em um buraco negro.

Modelo de supercondutividade

Nos últimos dez anos, o estudo de buracos negros equivalentes a formas de matéria com uma forte correlação produziu resultados surpreendentes - por exemplo, uma nova equação para a viscosidade de líquidos com uma forte correlação e uma melhor compreensão da interação entre quarks e glúons, partículas que vivem dentro dos núcleos atômicos.


Jorge Santos e Gary Horowitz

Gary Horowitz , especialista em teoria das cordas na Universidade da Califórnia em Santa Barbara e Jorge Santos, Ph.D. do grupo Horowitz, aplicou o princípio do dualismo holográfico às cupratas. Eles deduziram a fórmula de condutividade de metais aproximadamente bidimensionais, estudando as propriedades do que poderia corresponder a eles em 3D: um buraco negro eletricamente carregado de uma forma incomum.

Nos cupratos, um enxame de elétrons fortemente correlacionados se move ao longo de uma rede atômica fixa. A modelagem de metais com dualismo holográfico exigiu a reconstrução do equivalente dessa estrutura na estrutura do buraco negro correspondente, ou melhor, dando-lhe um horizonte ondulado.

"Quando se trata de buracos negros, você precisa de Gary", diz Zaanen.

Para determinar a condutividade das cupratas, Horowitz e Santos tiveram que estudar as características da interação da luz com o complexo horizonte de seu buraco negro. Como a equação era muito complicada para resolver de frente, eles encontraram soluções aproximadas usando um computador. Em seu primeiro artigo sobre essa abordagem, escrito pelo físico da Universidade de Cambridge David Tong e publicado no Journal of High Energy Physics em julho de 2012, eles derivaram uma fórmula correspondente à condutividade cuprada em altas temperaturas para corrente alternada. Em um novo trabalho, eles expandiram os cálculos para as temperaturas nas quais as cupratas se tornam supercondutoras, isto é, conduzem a corrente sem resistência, e novamente mostraram uma boa aproximação aos dados experimentais sobre a condutividade das cupratas reais.

"Surpreende-me que um modelo tão simples de gravidade possa reproduzir qualquer propriedade de material real", disse Horowitz. "Isso nos inspira a continuar trabalhando".

A precisão do modelo em alguns casos importantes falha, por exemplo, em correntes alternadas de frequências super altas, mas Sachdev diz que, dada a simplicidade do modelo do "buraco negro enrugado", "não era de se esperar que fosse melhor". A inclusão de um número maior de detalhes microscópicos de cupratos na estrutura de um buraco negro, na sua opinião, aprofundará sua congruência.

Hartnol, que recentemente usou o princípio do dualismo holográfico para modelar transições metal-isolantes em materiais com uma forte correlação, espera usar os resultados de Horowitz e Santos resolvendo com precisão suas equações. “Eles têm entrada e saída; gostaríamos de desempacotá-los e entender as importantes etapas intermediárias ”, afirmou. Isso ajudará a entender por que a fórmula da condutividade aparece no modelo do buraco negro e dará uma compreensão das forças correspondentes que trabalham dentro das cupratas.

Novo dualismo

Compreender a física dos cupratos pode ter implicações práticas importantes. A maioria dos metais entra no estado supercondutor quando a temperatura cai para um estado próximo ao zero absoluto. Mas, por razões que não são totalmente claras, as cupratas exibem supercondutividade a temperaturas muito mais acessíveis, o que as torna úteis para uso em uma variedade de dispositivos, desde cabos elétricos de alta potência até motores de navios. Mas as cupratas são frágeis e caras, portanto, a criação de versões aprimoradas desse material pode levar a uma inovação significativa em várias tecnologias, desde veículos com almofada magnética até redes elétricas mais eficientes.

Eles têm o potencial de promover a física fundamental. Se o dualismo holográfico fornece previsões precisas do comportamento de cupratos e outros materiais com uma forte correlação, esses materiais podem ser considerados, de fato, como buracos negros em dimensões mais altas.

"Se tivéssemos um modelo que reproduz todas as propriedades de um material, ele poderia ser considerado sua teoria - muito incomum, mas, graças ao dualismo, seria o equivalente a qualquer teoria que trabalhe na fronteira com partículas comuns", disse Horowitz. "E essa poderia ser uma abordagem muito mais simples."


Representação computacional do horizonte do buraco negro usado no estudo para simular cupratos

O dualismo holográfico tem algo em comum com a dualidade onda-partícula, que levou ao desenvolvimento da mecânica quântica. No início do século XX, em alguns estudos a luz, anteriormente considerada uma onda, se comportou misteriosamente, a menos que você a considerasse partículas; o comportamento dos elétrons considerados partículas às vezes não fazia sentido se não fossem considerados ondas. “A dualidade de onda-partícula, quando foi proposta pela primeira vez, acabou sendo uma surpresa - porque eram dois, à primeira vista, conceitos diferentes, e aprendemos que eles representam a mesma coisa”, disse Horowitz. O dualismo holográfico "é mais complexo, mas suas propriedades são as mesmas", diz ele. "Você tem dois, à primeira vista, objetos completamente diferentes que acabam sendo equivalentes."

Mas como o dualismo holográfico se encaixa em nossa compreensão da natureza? A analogia com as cordas unidimensionais da lagoa é real? Segundo os físicos, não necessariamente. De fato, as cordas não estão incluídas nos cálculos das propriedades do buraco negro Horowitz e Santos, que eles usavam para modelar cupratas. Mas essas descobertas realmente levam ao fato de que "todas essas teorias, que nos pareciam diferentes, acabam se relacionando", disse Maldasena. "Isso mostra que a teoria das cordas não é divorciada do resto da física."

Segundo os físicos, a teoria das cordas pode simplesmente se tornar a melhor linguagem matemática para trabalhar com certos aspectos da realidade.

“A física tem sido tradicionalmente sujeita ao reducionismo. Ela quer pegar algo complicado e entender em que partes ele consiste ”, explica Hartnol. "Mas não há uma maneira única para essa abordagem: em alguns casos, os elétrons podem ser os tijolos fundamentais e, em outros, a excitação conjunta de elétrons é mais fundamental do que qualquer um deles individualmente".

"Estamos tentando encontrar os componentes fundamentais certos para descrever essas fases estranhas da matéria", diz ele. "Pode ser uma string em uma dimensão superior".

Os físicos interpretam o significado de que partículas em metais quebradiços estranhos correspondem matematicamente a cordas e buracos negros incomuns que teoricamente existem em uma dimensão superior, e o dualismo holográfico os ajuda a "pensar de maneira diferente sobre enigmas em laboratórios", diz Zaanen. - Talvez não seja apenas uma maneira diferente de pensar; o objetivo é ver fatos reais e maravilhosos ".