Cientistas descobrem um novo estado quântico da matéria, antes considerado impossível.

Um estado quântico da matéria surgiu num material onde os físicos julgavam que isso seria impossível, obrigando a repensar as condições que determinam o comportamento dos eletrões em certos materiais.

A descoberta, alcançada por uma equipa internacional de investigadores, pode orientar progressos na computação quântica, aumentar a eficiência da eletrónica e potenciar tecnologias de deteção e de imagiologia mais avançadas.

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.

CeRu₄Sn₆ e o ponto de criticidade quântica

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

O volte-face deste estudo está em mostrar que a criticidade quântica pode dar origem a estados que se pensavam definidos por interações entre partículas - como o comportamento dos eletrões enquanto portadores discretos de carga.

“Ora, este é um avanço fundamental”, afirma o físico Qimiao Si, da Universidade Rice, nos EUA.

“O nosso trabalho mostra que efeitos quânticos poderosos podem combinar-se para criar algo totalmente novo, o que poderá ajudar a moldar o futuro da ciência quântica.”

Topologia em física: quando a geometria protege propriedades

Em 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 implica “costurar” propriedades em mapas de tipo particulado - algo que, segundo a visão tradicional, um material não deveria exibir sob criticidade quântica.

A criticidade quântica e a topologia são úteis nos materiais por motivos diferentes. A sua coexistência pode abrir caminho a uma nova classe de materiais com elevada sensibilidade nas respostas quânticas e, ao mesmo tempo, uma estabilidade fiável.

O efeito de Hall sem campo magnético: a pista decisiva

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 de Hall. Em termos simples, a corrente desviou-se lateralmente.

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

“Esta foi a perceção-chave que nos permitiu demonstrar, sem margem para dúvidas, que a perspetiva dominante tem de ser revista”, afirma a física Silke Bühler-Paschen, da Universidade de Tecnologia de Viena.

Além disso, os cientistas verificaram que, nas regiões em que o material era mais instável em termos dos padrões eletrónicos, o efeito topológico era mais intenso; as flutuações de criticidade quântica acabavam, na realidade, por estabilizar a fase recém-descoberta.

O que falta investigar a seguir

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

Pretendem também 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 destruir”, afirma Si.

“Além disso, revelam um novo estado quântico com uma relevância prática considerável.”

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

“Não é apenas uma perceção teórica; é um passo no sentido de desenvolver tecnologias reais que tirem partido dos princípios mais profundos da física quântica.”

O estudo foi publicado na revista Nature Physics.