Um estado quântico da matéria apareceu em um material no qual físicos acreditavam que isso seria impossível, o que obriga a rever as condições que controlam o comportamento dos eletrões em certos sólidos.
A descoberta, feita por uma equipa internacional de investigadores, pode orientar avanços em computação quântica, aumentar a eficiência de componentes eletrónicos e impulsionar tecnologias de deteção, sensoriamento e imagiologia com melhor desempenho.
Fase de semimetal topológico em CeRu4Sn6 e a chegada à criticidade quântica
O estado foi descrito como uma fase de semimetal topológico. Teoricamente, previa-se que ele surgiria a baixas temperaturas num material composto por cério, ruténio e estanho (CeRu4Sn6) - e, depois, experiências confirmaram que ele de facto existe.
Quando é arrefecido a temperaturas extremamente baixas, o CeRu4Sn6 atinge a criticidade quântica: um ponto em que o material fica no limiar entre mudanças de fase, num regime tão frio que as flutuações quânticas passam a dominar. Na prática, o material comporta-se mais como uma “poça de ondas” do que como uma “névoa de partículas”.
O detalhe inesperado deste estudo é que a criticidade quântica pode dar origem a estados que se imaginava serem definidos por interações entre partículas - como o comportamento de eletrões tratados como portadores discretos de carga.
"Isto é um passo fundamental em frente", diz o físico Qimiao Si, da Rice University, nos EUA.
"O nosso trabalho mostra que efeitos quânticos poderosos podem combinar-se para criar algo totalmente novo, o que pode ajudar a moldar o futuro da ciência quântica."
Por que topologia e criticidade quântica pareciam incompatíveis
Na física, topologia diz respeito à geometria das estruturas dos materiais. Certos estados topológicos conseguem “proteger” propriedades das partículas, ao contrário do que acontece quando partículas vizinhas se empurram e acabam por perturbar o comportamento umas das outras.
Em geral, compreender estados topológicos envolve “costurar” propriedades em mapas com caráter de partícula - algo que, em princípio, um material não deveria apresentar quando está sob criticidade quântica.
Separadamente, tanto a criticidade quântica quanto a topologia são valiosas em materiais, cada uma por motivos distintos. Porém, quando aparecem em conjunto, podem apontar para uma nova classe de materiais que una forte sensibilidade nas respostas quânticas com estabilidade fiável.
O sinal experimental: efeito Hall sem campo magnético
Ao arrefecerem o CeRu4Sn6 para perto do zero absoluto e aplicarem carga elétrica, os investigadores observaram, nos eletrões que transportavam corrente pelo material, um fenómeno conhecido como efeito Hall. Em termos simples, a corrente desviou-se lateralmente.
Segundo a equipa, isso foi um indício inequívoco de efeitos topológicos. Normalmente, o efeito Hall exige um campo magnético para desviar os eletrões, mas aqui não havia campo magnético. Em vez disso, a trajetória da corrente estava a ser moldada por algo intrínseco ao próprio material.
"Esta foi a perceção-chave que nos permitiu demonstrar, sem qualquer dúvida, que a visão predominante precisa de ser revista", diz a física Silke Bühler-Paschen, da Vienna University of Technology.
Além disso, os cientistas identificaram que, justamente onde o material era mais instável em termos dos seus padrões eletrónicos, o efeito topológico aparecia com maior intensidade; as flutuações de criticidade quântica, na prática, estabilizaram a fase recém-descoberta.
Ainda há muito por fazer. Os investigadores pretendem verificar se este estado quântico também pode ser encontrado noutros materiais, para determinar até que ponto ele é geral.
Eles também querem examinar com mais detalhe a topologia observada aqui e as condições exatas necessárias para que ela se torne possível.
"Os resultados preenchem uma lacuna na física da matéria condensada ao demonstrar que interações fortes entre eletrões podem dar origem a estados topológicos, em vez de os destruir", afirma Si.
"Além disso, revelam um novo estado quântico com substancial relevância prática."
"Saber o que procurar permite-nos explorar este fenómeno de forma mais sistemática", acrescenta.
"Não é apenas uma perceção teórica - é um passo na direção de desenvolver tecnologias reais que aproveitem os princípios mais profundos da física quântica."
A pesquisa foi publicada na Nature Physics.
Comentários
Ainda não há comentários. Seja o primeiro!
Deixar um comentário