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

Um estado quântico onde não se esperava

Durante anos, os físicos assumiram que certos estados quânticos simplesmente não poderiam surgir quando um material entra em criticidade quântica. Agora, um novo estado da matéria apareceu precisamente num cenário que parecia “proibido”, obrigando a repensar as condições que controlam o comportamento dos eletrões em alguns materiais.

A descoberta, feita por uma equipa internacional de investigadores, pode vir a orientar avanços em computação quântica, melhorar a eficiência eletrónica e abrir portas 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 criticidade quântica, um ponto em que o material oscila entre mudanças de fase, em condições tão frias que as flutuações quânticas dominam, transformando-o, na prática, 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 poderá 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 implicar juntar propriedades em mapas do tipo partícula - algo que, em princípio, um material não deveria apresentar sob criticidade quântica.

Tanto a criticidade quântica como a topologia são úteis em materiais, mas por razões diferentes. Tê-las em simultâneo pode gerar uma nova classe de materiais com respostas quânticas muito sensíveis e uma 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 de Hall. Essencialmente, a corrente desviou-se para o lado.

Segundo os investigadores, isto foi um sinal claro de efeitos topológicos. O efeito de Hall normalmente exige um campo magnético para desviar os eletrões, mas aqui não havia qualquer campo magnético. Em vez disso, o percurso 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 descobriram que, onde o material era mais instável em termos dos seus padrões eletrónicos, era aí que o efeito topológico se mostrava mais forte; as flutuações de criticidade quântica acabaram por estabilizar a fase recém-descoberta.

Ainda há muito trabalho pela frente. Os investigadores querem perceber se este estado quântico 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 isto 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 um significado prático substancial."

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

"Não é apenas uma perceção teórica; é um passo na direção de desenvolver tecnologias reais que aproveitem os princípios mais profundos da física quântica."

A investigação foi publicada na Nature Physics.