A física quântica mostra que as partículas não se comportam como corpos sólidos com posições fixas. Em vez disso, agem mais como ondas, o que significa que a sua posição exacta no espaço não é conhecida com precisão. No entanto, em muitas situações do quotidiano, os cientistas ainda conseguem descrever as partículas de uma forma familiar e clássica. Eles os descrevem como pequenos objetos movendo-se pelo espaço a uma certa velocidade.
Este método funciona bem para explicar como a eletricidade flui através dos metais. Os físicos descrevem frequentemente a corrente eléctrica como electrões que se movem através de um material, empurrados ou redireccionados por forças electromagnéticas à medida que se movem.
Por que as imagens de partículas geralmente funcionam
Muitas teorias modernas também dependem desta visão baseada em partículas, incluindo o conceito de estados topológicos da matéria. Estes estados são tão importantes que a sua descoberta foi reconhecida em 2016 com o Prémio Nobel da Física. Apesar da sua matemática avançada, estas teorias ainda assumem que os eletrões se comportam como partículas com movimentos definidos.
No entanto, os investigadores descobriram que esta imagem não se aplica a todos os materiais (ver publicação abaixo). Em alguns casos, o elétron não se comporta mais como uma partícula individual com uma posição definida ou uma velocidade única e definida.
Topologia sem partículas
Cientistas da TU Wien mostraram agora que mesmo quando a imagem da partícula falha, 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 se comportam como partículas. Em vez disso, estes estados revelam-se muito mais universais, reunindo conceitos que antes pareciam incompatíveis.
Quando a imagem da partícula não faz mais sentido
“A imagem clássica dos eletrões como partículas minúsculas que sofrem colisões à medida que fluem através de um material como uma corrente elétrica” é surpreendentemente poderosa, diz a professora Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. “Com certos refinamentos, também funciona em materiais complexos onde os elétrons interagem fortemente entre si.”
No entanto, existem casos extremos em que esta descrição falha completamente. Nesta situação, os portadores de carga perdem a sua natureza semelhante a partículas. Esse comportamento é demonstrado em um composto feito de cério, rutênio e estanho (CeRu₄Sn₆), que foi estudado em temperaturas extremamente baixas por pesquisadores da TU Wien.
“Perto do zero absoluto, exibe um certo tipo de comportamento crítico quântico”, disse Diana Kirschbaum, primeira autora da publicação atual. “A matéria flutua entre dois estados diferentes, como se não pudesse decidir qual deles quer adotar. Neste regime flutuante, pensa-se que a imagem das quase-partículas perde o seu significado.”
Topologia ilustrada com pãezinhos e donuts
Ao mesmo tempo, trabalhos teóricos sugeriram que este mesmo material deveria hospedar 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 pãozinho, porque o pãozinho pode ser continuamente deformado no formato de uma maçã. Um pãozinho é topologicamente diferente de um donut, porque o donut tem um buraco que não pode ser feito por deformação contínua.”
Os físicos usam conceitos semelhantes para descrever estados da matéria. Propriedades como orientação do spin em relação à energia das partículas, velocidade e até mesmo velocidade podem seguir padrões geométricos estritos. Esses padrões são notavelmente estáveis. Pequenas imperfeições num ingrediente não os apagam, tal como pequenas alterações no tamanho não podem transformar um donut numa maçã.
Essa estabilidade torna os efeitos topológicos particularmente atraentes para tecnologias como armazenamento de dados quânticos, sensores avançados e métodos de condução de correntes elétricas sem o uso de campos magnéticos.
Uma teoria que não deveria funcionar
Embora a topologia possa parecer abstrata, as teorias anteriores ainda se baseiam na suposição de que o movimento das partículas é bem definido. “Essas teorias pressupõem que se está descrevendo algo com velocidade e força bem definidas”, 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 uma imagem de partícula. No entanto, abordagens teóricas gerais que ignoram estas propriedades não semelhantes a partículas previram anteriormente que os materiais deveriam exibir picos característicos.”
Isso criou uma surpreendente contradição entre teoria e comportamento físico.
A curiosidade leva a uma descoberta
Devido a esta contradição, a equipa de Bühler-Paschen inicialmente relutou em levar mais longe as previsões teóricas. Com o tempo, a curiosidade venceu e Diana Kirschbaum começou a procurar sinais experimentais de topologia.
Em temperaturas inferiores a um grau acima do zero absoluto, ele notou um sinal claro. O material exibe um efeito Hall espontâneo (supérfluo), um fenômeno que geralmente ocorre quando portadores de carga são desviados por um campo magnético.
Neste caso, porém, a deflexão ocorreu sem qualquer campo magnético externo. Em vez disso, é derivado das propriedades topológicas do material. Ainda mais interessante, os portadores de carga comportavam-se como se fossem partículas, apesar da forte evidência de que a imagem das partículas não se aplicava.
“Esta foi a principal ideia que nos permitiu demonstrar, sem sombra de dúvida, que as opiniões existentes deveriam ser revistas”, afirma Silke Bühler-Paschen.
“E tem mais”, acrescenta Diana Kirschbaum. “O efeito topológico é mais forte onde o material apresenta as maiores flutuações. Quando essas flutuações são suprimidas pela pressão ou campos magnéticos, as características topológicas desaparecem.”
Uma visão 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 semimetal topológico emergente. Eles trabalharam com colaboradores da Rice University, no Texas, onde Lei Chen (co-primeiro autor da publicação), parte do grupo de pesquisa do professor Kimiao Si, desenvolveu um modelo teórico que combina com sucesso a criticidade quântica com a topologia.
“Na verdade, verifica-se que uma imagem de partícula não é necessária para gerar características topológicas”, diz Bühler-Paschen. “A ideia pode de fato ser generalizada – diferenças topológicas emergem então de uma forma mais abstrata e matemática. E mais: nossos experimentos sugerem que propriedades topológicas podem até surgir porque estados semelhantes a partículas estão ausentes.”
Novas maneiras de descobrir materiais quânticos
A descoberta também tem importância prática. Ele oferece uma nova maneira de investigar materiais topológicos, concentrando-se em sistemas que exibem comportamento crítico quântico.
“Agora sabemos que vale a pena – talvez até particularmente interessante – procurar propriedades topológicas em materiais quânticos críticos”, diz Bühler-Paschen. “Uma vez que o comportamento crítico quântico ocorre em muitas classes de materiais e pode ser detectado de forma confiável, esta conexão poderia permitir a descoberta de muitos novos materiais topológicos ’emergentes’.”
