Os elétrons, prótons e nêutrons, que constituem os principais elementos constitutivos da matéria que nos cerca, têm um ponto em comum: são férmions. Essas partículas são dotadas de uma propriedade muito singular, ou seja, é absolutamente impossível encontrar duas no mesmo estado físico.
Figura:
Imagem de uma configuração de um gás quântico fermiónico. Cada ponto azul representa um átomo único. Em vez de se agruparem, os átomos se evitam uns aos outros por causa do princípio de exclusão de Pauli, de tal forma que, em média, esses pontos se organizam de maneira diferente de um conjunto de pontos colocados aleatoriamente (a aparência global da nuvem em forma de elipse deve-se à geometria do potencial no qual os átomos estão presos).
© Tim de Jongh et al., Phys. Rev. Lett. 2025.
Essa característica dos férmions é chamada princípio de exclusão de Pauli, em homenagem ao famoso físico Wolfgang Pauli, que o formulou explicitamente há exatamente um século, o que lhe valeu o prêmio Nobel vinte anos depois. Essa regra, constatada mas não demonstrada, é constitutiva da mecânica quântica e é essencial para entender o mundo que nos cerca.
Assim, é ela que impede a matéria de entrar em colapso, explica as propriedades dos semicondutores e dita a estrutura da classificação periódica.
No entanto, como o princípio de Pauli envolve escalas de energia e comprimento extraordinariamente pequenas, até agora só havia sido observado indiretamente, por meio dos efeitos que induz nas escalas mais macroscópicas da matéria.
Em um estudo publicado recentemente, cientistas do Laboratoire Kastler Brossel (LKB, CNRS/Collège de France/ENS-PSL/Sorbonne Université) revelaram as imagens mais claras já realizadas da exclusão de Pauli diretamente em ação em escalas atômicas. Eles usaram nuvens de centenas de átomos de 6Li (férmions) resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto.
Essas baixas temperaturas tornam as propriedades quânticas das partículas observáveis, que de outra forma seriam mascaradas por sua agitação térmica. A equipe usou uma técnica que desenvolveu recentemente para imagear as ondas quânticas. Deixando primeiro os átomos evoluírem livremente no espaço, e depois imobilizando-os em uma rede óptica — "gaiolas" microscópicas regularmente espaçadas criadas pela luz laser, os cientistas puderam tirar diretamente uma fotografia do sistema fermiónico, registrando a posição de cada átomo.
Esse modo operacional revelou diretamente o princípio de exclusão de Pauli "em ação", pois as análises estatísticas das configurações mostram que os átomos se evitam uns aos outros e dão uma assinatura estatística em perfeita conformidade com o que a teoria quântica prevê.
No sistema que estudaram, a exclusão de Pauli era a única interação possível entre os átomos, revelando seus efeitos da maneira mais pura que se pode imaginar.
A equipe examinou as correlações entre as posições de duas e três partículas, revelando uma queda significativa no número de pares e trios de átomos situados a curta distância uns dos outros, uma propriedade chamada "buraco de Pauli" e considerada uma assinatura não ambígua do princípio de mesmo nome.
Graças à sua técnica, os pesquisadores podem agora estudar sistemas significativamente mais complicados, como conjuntos de férmions em interação forte, onde o princípio de exclusão de Pauli compete com as colisões de partículas. Sendo capazes de tirar imagens diretas das configurações de seu gás, esse método lhes permitirá medir o comportamento de sistemas fermiónicos tão complexos que até mesmo os supercomputadores mais poderosos não conseguem simulá-los.
Este trabalho foi selecionado como Editor's Suggestion nas Physical Review Letters, onde é publicado na capa. Também foi objeto de uma resenha na revista Physics da APS.
Doi: 10.1103/PhysRevLett.134.183403
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