Cientistas descobrem, antes visto como impossível, um novo estado quântico da matéria

Um estado quântico onde ninguém esperava

Durante muito tempo, os físicos assumiram que certos materiais simplesmente não tinham “espaço” para acolher determinados estados quânticos. Agora, surgiu num desses materiais um estado de matéria que se julgava impossível, obrigando a repensar as condições que controlam a forma como os eletrões se comportam em algumas estruturas.

A descoberta, feita por uma equipa internacional de investigadores, pode orientar avanços na computação quântica, aumentar a eficiência eletrónica e abrir caminho a tecnologias de deteção e imagiologia mais apuradas.

O estado, descrito como uma fase de semimetal topológico, tinha sido previsto teoricamente para aparecer a baixas temperaturas num material composto por cério, ruténio e estanho (CeRu₄Sn₆), antes de as experiências confirmarem a sua existência.

A temperaturas extremamente baixas, o CeRu₄Sn₆ atinge a chamada criticalidade quântica, um ponto em que o material fica à beira de uma mudança de fase, num regime tão frio que as flutuações quânticas dominam, transformando-o essencialmente numa “poça” de ondas, em vez de uma névoa de partículas.

A reviravolta deste estudo é que a criticalidade quântica pode dar origem a estados que se pensava serem definidos por interações entre partículas, como o comportamento dos eletrões enquanto portadores discretos de carga.

"Este 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 inteiramente novo, o que pode ajudar a moldar o futuro da ciência quântica."

Em física, topologia refere-se 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.

Compreender estados topológicos costuma exigir ligar propriedades e construí-las em mapas do tipo “partícula”, algo que, em princípio, um material não deveria apresentar sob criticalidade quântica.

Tanto a criticalidade quântica como a topologia são úteis em materiais, mas por razões diferentes. Tê-las em simultâneo poderá gerar uma nova classe de materiais com elevada sensibilidade nas respostas quânticas e uma estabilidade fiável.

Quando os investigadores arrefeceram o CeRu₄Sn₆ para perto do zero absoluto e aplicaram uma carga elétrica, observaram um fenómeno conhecido como efeito Hall nos eletrões que transportavam corrente através do material. Na prática, a corrente desviou-se lateralmente.

Segundo os investigadores, isto foi um sinal claro de efeitos topológicos. O efeito Hall normalmente exige um campo magnético para desviar os eletrões, mas aqui não havia qualquer campo magnético. Em vez disso, a trajetória da corrente estava a ser moldada por algo intrínseco ao próprio material.

"Isto foi o insight crucial que nos permitiu demonstrar, sem margem para dúvida, que a visão dominante tem de ser revista", diz a física Silke Bühler-Paschen, da Universidade de Tecnologia de Viena.

Além disso, os cientistas descobriram que, onde o material era mais instável em termos dos seus padrões eletrónicos, aí o efeito topológico era mais forte; as flutuações da criticalidade quântica acabaram por estabilizar a fase recém-descoberta.

Há muito mais trabalho pela frente. Os investigadores querem perceber se este estado quântico também aparece noutros materiais, para avaliar até que ponto é um fenómeno geral.

Também pretendem analisar com mais detalhe a topologia observada aqui e as condições exatas necessárias para a tornar possível.

"Os resultados colmatam uma lacuna na física da matéria condensada ao demonstrar que interações eletrónicas fortes podem dar origem a estados topológicos, em vez de os destruírem", diz Si.

"Além disso, revelam um novo estado quântico com grande significado prático."

"Saber o que procurar permite-nos explorar este fenómeno de forma mais sistemática", acrescenta.

"Não é apenas um insight teórico; é um passo em direção ao desenvolvimento de tecnologias reais que aproveitam os princípios mais profundos da física quântica."

A investigação foi publicada na Nature Physics.