Cientistas descobrem novo estado quântico da matéria, tido como impossível até então

Às vezes, a física dá-nos uma surpresa onde menos se espera: um estado quântico da matéria surgiu precisamente num material em que os físicos acreditavam que isso não poderia acontecer. O resultado obriga a repensar as condições que determinam a forma como os eletrões se comportam em certos materiais.

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

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 experiências confirmarem a sua existência.

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

O volte-face 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.

"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 “coser” propriedades em mapas do tipo partícula - algo que, sob criticidade quântica, não se pensava que um material conseguisse ter.

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, 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 de Hall nos eletrões que transportavam corrente através do material. Em termos simples, a corrente desviou-se para o lado.

Segundo os investigadores, este foi um sinal claro de efeitos topológicos. Normalmente, o efeito de Hall precisa de um campo magnético para desviar os eletrões, mas aqui não havia qualquer campo magnético. Em vez disso, o trajeto da corrente estava a ser moldado por algo inerente ao próprio material.

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

Além disso, os cientistas verificaram que, onde o material era mais instável em termos dos seus padrões eletrónicos, aí o efeito topológico era mais forte; as flutuações críticas quânticas acabaram por estabilizar a fase agora descoberta.

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

Também pretendem analisar mais de perto a topologia observada e as condições exatas necessárias para a tornar 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 destruírem", 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 rumo ao desenvolvimento de tecnologias reais que aproveitam os princípios mais profundos da física quântica."

A investigação foi publicada na Nature Physics.