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

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

Durante anos, os físicos assumiram que certos materiais simplesmente não podiam albergar determinados estados quânticos - pelo menos não nas condições conhecidas. Agora, um novo estado da matéria surgiu precisamente num material onde se pensava que isso era impossível, obrigando a repensar as regras que determinam como os eletrões se comportam em alguns sistemas.

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

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

A temperaturas extremamente baixas, o CeRu₄Sn₆ atinge a criticidade quântica, um ponto em que o material fica no limite entre mudanças de fase, em condições tão frias que as flutuações quânticas passam a dominar - transformando efetivamente o material numa “poça de ondas”, em vez de uma névoa de partículas.

A grande reviravolta deste estudo é que a criticidade quântica pode dar origem a estados que se julgavam definidos por interações entre partículas, como o comportamento dos eletrões enquanto 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."

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 em “mapas” de tipo particulado - algo que, em geral, não se espera encontrar num material sob criticidade quântica.

Tanto a criticidade quântica como a topologia são úteis em materiais, cada uma por razões diferentes. Tê-las em conjunto pode originar uma nova classe de materiais com elevada sensibilidade nas respostas quânticas e, ao mesmo tempo, estabilidade fiável.

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

Segundo os investigadores, isto foi um sinal claro de efeitos topológicos. Normalmente, o efeito Hall requer um campo magnético para desviar os eletrões, mas aqui não existia qualquer campo magnético. Em vez disso, o percurso da corrente estava a ser moldado por algo intrínseco ao próprio material.

"Este foi o ponto-chave 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 padrões eletrónicos, aí o efeito topológico era mais forte; as flutuações da criticidade quântica acabaram por estabilizar a fase agora identificada.

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

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

"Os resultados colmatam 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", diz Si.

"Além disso, revelam um novo estado quântico com grande 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 em direção ao desenvolvimento de tecnologias reais que aproveitam os princípios mais profundos da física quântica."

A investigação foi publicada na Nature Physics.