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Quase um século depois que o físico italiano Ettore Majorana lançou as bases para a descoberta de que os elétrons podem ser divididos ao meio, os pesquisadores prevêem que fótons divididos também podem existir, de acordo com um estudo de Dartmouth e pesquisadores do SUNY Polytechnic Institute.
A descoberta de que os blocos de construção da luz podem existir em uma forma dividida anteriormente inimaginável avança o entendimento fundamental da luz e como ela se comporta.
A descoberta teórica do fóton dividido - conhecido como "bóson de Majorana" - foi publicada na Physical Review Letters .
"Esta é uma grande mudança de paradigma de como entendemos a luz de uma forma que não se acreditava ser possível", disse Lorenza Viola, professora de física da família James Frank em Dartmouth e pesquisadora sênior do estudo. "Não apenas encontramos uma nova entidade física, mas era uma que ninguém acreditava que pudesse existir."
Semelhante a como a água líquida pode se transformar em gelo ou vapor sob condições específicas, a pesquisa indica que a luz também pode existir em uma fase diferente - onde os fótons aparecem como duas metades distintas.
“Água é água independentemente de sua forma líquida ou sólida. Ela apenas se comporta de maneira diferente dependendo das condições físicas”, disse Viola. "É assim que precisamos abordar nossa compreensão da luz - como a matéria, ela pode existir em diferentes fases."
Em vez de peças que podem ser fisicamente separadas, as metades dos fótons são semelhantes aos diferentes lados de uma moeda. As duas partes distintas formam um todo, mas podem ser descritas e funcionam como unidades separadas.
"Cada fóton pode ser considerado a soma de duas metades distintas", disse Vincent Flynn, um Ph.D. candidato em Dartmouth e primeiro autor do artigo. "Fomos capazes de identificar as condições para isolar essas metades uma da outra".
A pesquisa é baseada nos fundamentos da física.
As partículas vêm em dois tipos diferentes: férmions e bósons. Os férmions, como os elétrons, tendem a ser solitários, evitando-se a todo custo. Os bósons, como os fótons, tendem a se agrupar. Assim, era natural que os pesquisadores presumissem que dividir bósons seria uma tarefa intransponível.
A teoria de Dartmouth depende do vazamento de energia, dissipando cavidades que são acopladas e preenchidas com pacotes quânticos de luz. A pesquisa prevê que as metades das partículas aparecem nas bordas dessa plataforma sintética: o bóson de Majorana foi descoberto.
"Nossa descoberta fornece o primeiro indício de que uma fase topológica até então desconhecida de luz e matéria que hospeda bósons de Majorana pode existir", disse Flynn.
A descoberta teórica baseia-se na previsão de 1937 da existência de partículas neutras semelhantes a elétrons conhecidas como férmions de Majorana. Em 2001, os pesquisadores sugeriram um processo específico para como os elétrons poderiam realmente ser reduzidos à metade em certos supercondutores. Mas o fóton permaneceu indivisível até agora.
De acordo com a equipe de pesquisa, os bósons de Majorana podem ser vistos como parentes distantes dos férmions de Majorana.
"Férmions e bósons são tão diferentes quanto duas coisas podem ser na física", disse Emilio Cobanera, professor assistente de física no SUNY Polytechnic Institute e co-autor do estudo. "Na verdade, as partículas são imagens distorcidas umas das outras. A existência dos férmions de Majorana foi nossa principal pista de que o bóson de Majorana estava escondido em algum lugar do espelho da casa de diversões".
A confirmação do bóson de Majorana ainda exigiria um experimento de laboratório que observasse as metades do fóton. Ao contrário das estruturas massivas construídas para detectar o renomado bóson de Higgs, um experimento para detectar metades de fótons poderia ser feito em uma mesa. Tal experimento poderia utilizar tecnologias existentes ou de curto prazo.
A equipe descobriu que os bósons de Majorana são robustos contra imperfeições experimentais e identificáveis por assinaturas distintas. Embora seja difícil prever como as descobertas podem ser aplicadas, essas características podem apoiar o desenvolvimento de novos tipos de processadores de informação quântica, sensores ópticos e amplificadores de luz. A pesquisa também aponta o caminho para a descoberta de uma nova e exótica fase de matéria e luz.
"Para fazer essa descoberta, tivemos que desafiar crenças antigas e realmente pensar fora da caixa", disse Viola. "Nós dividimos algo que antes pensava ser impossível de se dividir e nunca olharemos para a luz da mesma maneira".
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Mais informações: Vincent P. Flynn et al, Topology by Dissipation: Majorana Bosons in Metastable Quadratic Markovian Dynamics, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.245701
https://phys.org/news/2021-12-discovery-photon.html
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Hélio R.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e
Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Acompanha e divulga os
conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration),
ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA. A
partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB),
como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
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