Grafeno de bicamada inspira modelo cosmológico de dois universos

Em um novo artigo publicado na Physical Review Research, o JQI Fellow Victor Galitski e o estudante de pós -graduação da JQI Alireza Parhizkar exploram a possibilidade imaginativa de que nossa realidade seja apenas metade de um par de mundos interconectados. Seu modelo matemático pode oferecer uma nova perspectiva para observar como características fundamentais da realidade, como porque nosso universo se expande da forma que nosso universo e como isso se relaciona com os cumprimentos mais minuciosos permitidos na mecânica quântica. Esses tópicos são fundamentais para a compreensão do nosso universo e fazem parte de um dos grandes mistérios da física contemporânea.

Quando uma dupla de cientistas estava pesquisando grafeno – atômicas à base de carbono em um padrão hexagonal repetível – eles entraram nessa nova perspectiva. Eles perceberam que experimentos sobre as propriedades elétricas de folhas embebidas em grafeno produziam resultados que se assemelhavam a pequenos universos, e que o fenômeno subjacente poderia ser aplicado a outras áreas da física. Novos comportamentos elétricos emergem através de interações entre folhas individuais em grafeno, assim é possível que um físico possa emergir do mesmo tipo de camadas interativas em outros lugares - talvez em teorias cosmológicas.

As propriedades elétricas excepcionais do grafeno empilhado e a possível conexão com a nossa realidade de ter um gêmeo vem da física especial produzida por padrões chamados padrões moiré. Padrões moiré se formam quando dois padrões repetidos – qualquer coisa, desde os hexágonos de átomos em folhas de grafeno até as grades das telas das janelas – se sobrepõem e uma das camadas é torcida, deslocada ou esticada.

Galitski e Parhizkar perceberam que a física em duas folhas de grafeno poderia ser reinterpretada como a física de dois universos bidimensionais onde os elétrons ocasionalmente pulam entre universos. Isso inspirou a dupla a generalizar a matemática para aplicar a universos feitos de qualquer número de dimensões, incluindo o nosso próprio quadridimensional, e explorar se fenômenos semelhantes resultantes de padrões moiré podem aparecer em outras áreas da física. Isso deu início a uma linha de investigação que os colocou frente a frente com um dos maiores problemas da cosmologia.

A escala do universo que dizia respeito a Galitski e Parhizkar é chamada de comprimento de Planck e define o menor comprimento que é consistente com a física quântica. O comprimento de Planck está diretamente relacionado a uma constante — chamada constante cosmológica — que está incluída nas equações de campo da relatividade geral de Einstein. Nas equações, a constante influencia se o universo – fora das influências gravitacionais – tende a se expandir ou contrair.

Essa constante é fundamental para o nosso universo. Então, para determinar seu valor, os cientistas, em teoria, só precisam olhar para o universo, medir vários detalhes, como a rapidez com que as galáxias estão se afastando umas das outras, inserir tudo nas equações e calcular qual deve ser a constante.

O modelo produziu resultados que os pesquisadores consideram intrigantes. Ao juntarem as contas, descobriram que parte do modelo parecia campos importantes que fazem parte da realidade. O modelo mais detalhado ainda sugere que dois mundos poderiam explicar uma pequena constante cosmológica e fornece detalhes sobre como esse bimundo pode imprimir uma assinatura distinta na radiação cósmica de fundo – a luz que perdura desde os primeiros tempos do universo.

Essa assinatura poderia ser vista – ou definitivamente não ser vista – em medições do mundo real. Assim, experimentos futuros podem determinar se essa perspectiva única inspirada no grafeno merece mais atenção ou é apenas uma novidade interessante na lixeira dos físicos.