A física quântica mostra que as partículas não se comportam como objetos sólidos com localização fixa. Em vez disso, agem mais como ondas, o que significa que a sua posição exata no espaço não pode ser conhecida com certeza. Apesar disso, em muitas situações cotidianas, os cientistas ainda conseguem descrever partículas da maneira clássica e familiar. Eles os imaginam como pequenos objetos movendo-se pelo espaço a uma certa velocidade.
Esta abordagem funciona bem para explicar como a eletricidade flui através dos metais. Os físicos descrevem frequentemente uma corrente eléctrica como electrões que se movem através de um material, sendo empurrados ou redireccionados por forças electromagnéticas à medida que se movem.
Por que a imagem de partículas geralmente funciona
Muitas teorias modernas também se baseiam nesta visão das partículas, incluindo a ideia de estados topológicos da matéria. Estes estados são tão importantes que a sua descoberta foi reconhecida pelo Prémio Nobel da Física em 2016. Apesar da sua matemática avançada, estas teorias ainda assumem que os eletrões se comportam como partículas com movimento definido.
No entanto, os pesquisadores descobriram que esse padrão não se aplica a todos os materiais (veja a postagem abaixo). Em alguns casos, os elétrons não se comportam mais como partículas individuais com uma posição distinta ou uma velocidade única bem definida.
Topologia sem partículas
Cientistas da TU Wien demonstraram agora que mesmo que o padrão de partículas falhe, os materiais ainda podem exibir propriedades topológicas. Até agora, pensava-se que estas propriedades dependiam do comportamento semelhante ao das partículas.
Esta descoberta revela algo inesperado. Os estados topológicos não estão limitados a sistemas onde os elétrons atuam como partículas. Em vez disso, estes estados revelam-se muito mais universais, reunindo ideias que antes pareciam incompatíveis.
Quando a imagem da partícula não faz mais sentido
“A imagem clássica dos elétrons como pequenas partículas que colidem enquanto fluem através de um material como uma corrente elétrica é surpreendentemente robusta”, diz a professora Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Viena. “Com algumas melhorias, isso funciona mesmo em materiais complexos onde os elétrons interagem fortemente entre si.”
No entanto, existem casos extremos em que esta descrição falha completamente. Em tais situações, os portadores de carga perdem a sua natureza semelhante a partículas. Esse comportamento é encontrado em um composto de cério, rutênio e estanho (CeRu₄Sn₆), que pesquisadores da TU Wien estudaram em temperaturas extremamente baixas.
“Perto do zero absoluto, exibe um certo tipo de comportamento crítico quântico”, diz Diana Kirschbaum, primeira autora do artigo atual. “O material oscila entre dois estados diferentes, como se não conseguisse decidir qual deles quer adotar. Neste modo oscilante, pensa-se que a imagem da quase-partícula perde o seu significado.”
Topologia explicando pães e donuts
Ao mesmo tempo, trabalhos teóricos sugeriram que esse mesmo material deveria ter estados topológicos. “O termo topologia vem da matemática, onde é usado para distinguir certas estruturas geométricas”, explica Silke Bühler-Paschen.
“Por exemplo, uma maçã é topologicamente equivalente a um pão porque um pão pode ser continuamente deformado em forma de maçã. No entanto, um pãozinho é topologicamente diferente de um donut porque o donut tem um buraco que não pode ser criado por deformação contínua.”
Os físicos usam ideias semelhantes para descrever estados da matéria. Propriedades como energia da partícula, velocidade e até mesmo orientação do spin em relação ao movimento podem seguir padrões geométricos estritos. Essas amostras são extremamente estáveis. Pequenas imperfeições no material não os apagam, assim como pequenas mudanças no formato não podem transformar um donut em uma maçã.
Esta estabilidade torna os efeitos topológicos particularmente atraentes para tecnologias como armazenamento de dados quânticos, sensores avançados e técnicas para direcionar correntes elétricas sem o uso de campos magnéticos.
Uma teoria que não deveria funcionar
Embora a topologia possa parecer abstrata, as teorias anteriores ainda dependiam da suposição de que as partículas tinham movimentos bem definidos. “Essas teorias assumem que algo com velocidades e energias bem definidas está sendo descrito”, explica Diana Kirschbaum.
“Mas essas velocidades e energias bem definidas não parecem existir no nosso material porque ele exibe uma forma de comportamento crítico quântico que se pensa ser incompatível com a imagem da partícula. No entanto, abordagens teóricas simples que ignoram estas propriedades não semelhantes a partículas previram anteriormente que o material deveria exibir características topológicas.’
Isso criou uma contradição impressionante entre teoria e comportamento físico.
A curiosidade leva à descoberta
Devido a este conflito, a equipa de Bühler-Pachen inicialmente relutou em prosseguir com a previsão teórica. Com o tempo, a curiosidade prevaleceu e Diane Kirschbaum começou a procurar sinais experimentais de topologia.
Em temperaturas abaixo de um grau acima do zero absoluto, ela observou um sinal claro. O material revelou um efeito Hall espontâneo (anômalo), fenômeno que normalmente ocorre quando portadores de carga são repelidos por um campo magnético.
Neste caso, porém, a deflexão apareceu sem qualquer campo magnético externo. Em vez disso, surgiu das propriedades topológicas do material. Ainda mais surpreendente é que os portadores de carga se comportaram como se fossem partículas, apesar das fortes evidências de que a imagem das partículas não deveria ser aplicada.
“Esta foi uma visão fundamental que nos permitiu demonstrar, sem qualquer dúvida, que a opinião prevalecente precisava de ser revista”, afirma Silke Bühler-Paschen.
“E há outra coisa”, acrescenta Diana Kirschbaum. “O efeito topológico é mais forte precisamente onde o material apresenta as maiores oscilações. Quando essas oscilações são suprimidas pela pressão ou pelos campos magnéticos, as propriedades topológicas desaparecem.”
Uma visão mais ampla da questão topológica
“Foi uma grande surpresa”, diz Silke Bühler-Paschen. “Isso mostra que os estados topológicos devem ser definidos em termos generalizados.”
Os pesquisadores descrevem a fase recém-identificada como um novo semimetal topológico. Eles trabalharam com colegas da Rice University, no Texas, onde Lei Chen (coautor do artigo), parte do grupo de pesquisa do professor Timiao Xi, desenvolveu um modelo teórico que liga com sucesso a criticidade quântica à topologia.
“Na verdade, não é necessária a imagem de uma partícula para gerar propriedades topológicas”, diz Bühler-Pachen. “O conceito pode de fato ser generalizado – diferenças topológicas surgem de uma forma mais abstrata e matemática. E mais: nossos experimentos mostram que propriedades topológicas podem surgir mesmo porque estados semelhantes a partículas estão ausentes.”
Novas maneiras de descobrir materiais quânticos
A descoberta tem significado prático. Ele oferece uma nova maneira de pesquisar materiais topológicos, concentrando-se em sistemas que exibem comportamento crítico quântico.
“Agora sabemos que é apropriado – talvez até particularmente interessante – procurar propriedades topológicas em materiais quânticos críticos”, diz Bühler-Paschen. “Como o comportamento quântico crítico ocorre em muitas classes de materiais e pode ser identificado de forma confiável, esta conexão pode permitir a descoberta de muitos novos materiais topológicos ‘emergentes’.”
