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

A quantum state of matter has appeared in a material where physicists thought it would be impossible, forcing a rethink on the conditions that govern the behaviors of electrons in certain materials.

Se há algo que a física da matéria condensada gosta de desafiar, é a ideia de “impossível”. Um estado quântico da matéria surgiu num material onde os físicos não esperavam que pudesse existir, obrigando a rever as condições que determinam como os eletrões se comportam em certos materiais.

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

O estado, descrito como uma fase de semimetal topológico, tinha sido previsto teoricamente para surgir 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 um material fica no limite entre mudanças de fase, em condições tão frias que as flutuações quânticas dominam, transformando efetivamente o material numa poça de ondas em vez de uma névoa de partículas.

A reviravolta deste estudo é que a criticidade 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 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 podem 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 normalmente exige “coser” propriedades em mapas tipo partícula - algo que não se julgava possível num material sob criticidade quântica.

Tanto a criticidade quântica como a topologia são úteis em materiais, cada uma por motivos diferentes. Tê-las em conjunto pode gerar uma nova classe de materiais com grande 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 precisa de um campo magnético para desviar os eletrões, mas neste caso não havia qualquer campo magnético. Em vez disso, o trajeto da corrente estava a ser moldado por algo inerente ao próprio material.

"Este foi o insight-chave que nos permitiu demonstrar, sem margem para dúvida, que a visão dominante precisa 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, era também onde o efeito topológico se manifestava com mais força; as flutuações críticas quânticas estabilizavam, na verdade, a fase recém-descoberta.

Ainda há muito trabalho pela frente. Os investigadores querem perceber se este estado quântico pode ser encontrado noutros materiais, para determinar até que ponto é um fenómeno geral.

Também pretendem analisar mais de perto 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 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 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.