Um estado quântico da matéria surgiu num material em que os físicos julgavam impossível encontrá-lo, obrigando-os a repensar as condições que regem o comportamento dos eletrões em certos materiais.
A descoberta, feita por uma equipa internacional de investigadores, poderá contribuir para avanços na computação quântica, aumentar a eficiência dos dispositivos eletrónicos e permitir melhores tecnologias de deteção e de imagiologia.
Um estado quântico num semimetal topológico
O estado, descrito como uma fase de semimetal topológico, foi previsto teoricamente a baixas temperaturas num material composto por cério, ruténio e estanho (CeRu₄Sn₆). A sua existência foi depois confirmada por experiências.
A temperaturas extremamente baixas, o CeRu₄Sn₆ atinge a chamada criticidade quântica: um ponto em que o material oscila entre mudanças de fase e o frio é tão intenso que as flutuações quânticas dominam. Na prática, o material passa a comportar-se como uma poça de ondas, em vez de uma névoa de partículas.
A surpresa do 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 avanço fundamental», afirma o físico Qimiao Si, da Universidade Rice, nos Estados Unidos.
«O nosso trabalho mostra que efeitos quânticos intensos podem combinar-se para criar algo inteiramente novo, que poderá ajudar a moldar o futuro da ciência quântica.»
Em física, a topologia diz respeito à geometria das estruturas dos materiais. Alguns estados topológicos conseguem proteger propriedades das partículas, ao contrário do que pode acontecer quando partículas vizinhas se perturbam mutuamente e alteram o comportamento umas das outras.
Para compreender estados topológicos, é normalmente necessário reunir propriedades em mapas semelhantes a partículas, algo que não se pensava existir num material em criticidade quântica.
Tanto a criticidade quântica como a topologia são úteis em materiais, por razões distintas. A sua combinação poderá dar origem a uma nova classe de materiais com respostas quânticas muito sensíveis e estabilidade fiável.
O efeito de Hall no CeRu₄Sn₆
Ao arrefecerem o CeRu₄Sn₆ até perto do zero absoluto e aplicarem uma carga elétrica, os investigadores observaram o fenómeno conhecido como efeito de Hall nos eletrões que transportavam corrente através do material. Essencialmente, a corrente desviou-se lateralmente.
Segundo a equipa, este foi um sinal inequívoco de efeitos topológicos. O efeito de Hall exige normalmente um campo magnético para desviar os eletrões, mas, neste caso, não havia nenhum. Em vez disso, a trajetória da corrente era moldada por algo inerente ao próprio material.
«Esta foi a ideia fundamental 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.
Os cientistas verificaram ainda que o efeito topológico era mais forte onde os padrões dos eletrões no material eram mais instáveis. Na verdade, as flutuações de criticidade quântica estabilizavam a fase recém-descoberta.
Investigar o estado quântico noutros materiais
Ainda há muito trabalho pela frente. Os investigadores querem verificar se este estado quântico pode ser encontrado noutros materiais, para determinar até que ponto é generalizado.
A equipa pretende também examinar mais de perto a topologia observada e as condições exatas necessárias para que esta 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 uma importância prática considerável.»
«Saber o que procurar permite-nos explorar este fenómeno de forma mais sistemática», acrescenta.
«Não se trata apenas de uma descoberta 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.
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