Quantum motility-induced phase separation

No agitado mundo da física, existe uma classe de materiais conhecidos como matéria ativa. Diferente de uma pilha de areia ou de um copo de água, que ficam parados a menos que sejam empurrados pelo exterior, a matéria ativa é composta por partículas minúsculas que se movem por conta própria. Essas partículas, que podem ser bactérias, robôs sintéticos ou até mesmo bandos de pássaros, consomem energia constantemente para se impulsionarem para frente. Quando partículas suficientes que se autopropulsionam se agrupam, elas não apenas se movem aleatoriamente; elas se organizam. Uma das formas mais impressionantes de organização é através de um fenômeno chamado separação de fases induzida pela motilidade. Imagine uma sala lotada onde todos estão tentando caminhar em uma direção específica. Se a multidão ficar muito densa, as pessoas diminuem o ritmo porque esbarram umas nas outras. Esse desaceleramento faz com que ainda mais pessoas se acumulem atrás delas, criando um aglomerado denso e de movimento lento, enquanto as áreas com menos pessoas permanecem rápidas e vazias. Isso acontece mesmo que as partículas não se atraiam; o mero ato de se mover e ficar preso é suficiente para dividir o sistema em regiões densas e diluídas.

Por muito tempo, esse comportamento foi compreendido apenas no mundo clássico dos objetos cotidianos. No entanto, cientistas começaram recentemente a questionar o que acontece quando essas regras são aplicadas ao mundo quântico, onde as partículas podem existir em múltiplos estados simultaneamente e estão ligadas por fios invisíveis de coerência. A questão era se o movimento caótico e consumidor de energia da matéria ativa poderia coexistir com a natureza delicada e sincronizada da mecânica quântica. Será que o constante sacudir e a dissipação de energia destruiriam as conexões quânticas, ou poderiam as duas forças trabalhar juntas para criar algo inteiramente novo?

Uma equipe de pesquisadores agora forneceu evidências convincentes de que a resposta é sim. Ao construir um modelo teórico de partículas ativas que se comportam de acordo com as leis quânticas, eles mostraram que uma versão quântica desse fenômeno de agrupamento pode, de fato, ocorrer. Os pesquisadores criaram uma simulação de uma linha unidimensional de partículas que agem como bósons de núcleo duro, um tipo de partícula quântica que não pode ocupar o mesmo espaço que outra. Essas partículas possuem um estado interno, como uma pequena seta apontando para a esquerda ou para a direita, que dita a direção do seu movimento. Elas saltam para frente na direção de sua seta, mas só podem pousar em um espaço vazio. Ocasionalmente, um processo quântico inverte sua seta, mudando sua direção, tal como um corredor decidindo dar meia-volta.

A equipe realizou essas simulações usando um poderoso método computacional que permitiu rastrear o comportamento de até mil partículas. Eles descobriram que, quando a inversão quântica das setas acontecia lentamente, as partículas começavam a se agrupar. Assim como na versão clássica, as partículas diminuíam a velocidade em áreas densas, levando a um acúmulo de matéria. No entanto, os resultados revelaram uma diferença crucial. Na versão mais simples de seu modelo, as partículas formavam aglomerados, mas esses aglomerados permaneciam de tamanho finito, nunca crescendo para preencher toda a linha. Isso é conhecido como separação de microfases, onde o sistema se organiza em muitos grupos pequenos e distintos, em vez de uma única massa gigante. Os pesquisadores observaram que o número de partículas em uma pequena seção da linha flutuava violentamente, uma assinatura desse comportamento de agrupamento.

Para ver se conseguiam forçar as partículas a se separarem em um único domínio massivo, os pesquisadores adicionaram uma nova regra: uma força repulsiva entre vizinhos. Essa força tornava energeticamente desfavorável para as partículas ficarem próximas umas das outras, a menos que estivessem orientadas de uma forma específica que as incentivasse a prender-se juntas. Com essa adição, as simulações mostraram que os aglomerados cresciam dramaticamente conforme o tamanho do sistema aumentava, sugerindo uma separação de fase verdadeira e genuína, onde as partículas se dividem em uma região densa e uma região diluída.

Talvez a descoberta mais surpreendente tenha sido o que aconteceu com a natureza quântica das partículas durante esse agrupamento caótico. Na física clássica, quando as partículas colidem umas com as outras e desaceleram, as conexões quânticas delicadas são geralmente destruídas pelo ruído e pelo atrito. Os pesquisadores esperavam que o constante salto e a dissipação de energia apagassem a coerência quântica. Em vez disso, descobriram que os estados estacionários agrupados mantinham uma forte coerência quântica de longo alcance. As partículas dentro dos aglomerados densos permaneciam ligadas em um estado quântico sincronizado, uma característica que não possui equivalente no mundo clássico. O próprio ato de agrupar criou um ambiente protegido onde as conexões quânticas puderam sobreviver e até prosperar.

O estudo sugere que a interação entre o impulso de consumo de energia da matéria ativa e a natureza delicada da coerência quântica não leva à destruição, mas à cooperação. A atividade que impulsiona as partículas a se agruparem ajuda, na verdade, a preservar seu estado quântico. Essa descoberta estabelece um novo tipo de estado quântico fora do equilíbrio, distinto de qualquer coisa vista antes. Embora esses resultados venham de simulações de computador, os ingredientes usados para construir o modelo — dissipação direcionada, rotação coerente e regras de exclusão estritas — estão ao alcance da tecnologia experimental atual utilizando átomos ultra-resfriados. Isso abre as portas para experimentos futuros observarem esses aglomerados quânticos em um laboratório real, potencialmente revelando uma nova fronteira onde o movimento caótico da matéria ativa e a ordem misteriosa da mecânica quântica se combinam para moldar o futuro dos materiais quânticos.