A física quântica mostra que as partículas não se comportam como objetos sólidos com locais fixos. Em vez disso, elas agem mais como ondas, o que significa que sua posição exata no espaço não pode ser conhecida com precisão. Mesmo assim, em muitas situações cotidianas, os cientistas ainda podem descrever as partículas de uma maneira clássica e familiar. Eles as imaginam como pequenos objetos se movendo através do espaço com uma velocidade específica.
Essa abordagem funciona bem ao explicar como a eletricidade flui através dos metais. Os físicos frequentemente descrevem a corrente elétrica como elétrons se movimentando rapidamente através de um material, sendo empurrados ou redirecionados por forças eletromagnéticas à medida que se movem.
Por que a Representação de Partículas Geralmente Funciona
muitas teorias modernas também dependem dessa visão baseada em partículas, incluindo a ideia de estados topológicos da matéria. Esses estados são tão importantes que sua descoberta foi reconhecida com o Prêmio Nobel de Física em 2016. Apesar da matemática avançada, essas teorias ainda assumem que os elétrons se comportam como partículas com um movimento definido.
No entanto, pesquisadores descobriram que essa representação não se aplica a todos os materiais (veja a publicação abaixo). Em alguns casos, os elétrons não se comportam mais como partículas individuais com uma posição clara ou uma velocidade bem definida.
Topologia Sem Partículas
Cientistas da TU Wien demonstraram agora que mesmo quando a representação de partículas falha, os materiais ainda podem exibir propriedades topológicas. Até agora, acreditava-se que essas propriedades dependiam do comportamento semelhante a partículas.
Essa descoberta revela algo inesperado. Estados topológicos não estão limitados a sistemas onde os elétrons agem como partículas. Em vez disso, esses estados acabam sendo muito mais universais, unindo ideias que antes pareciam incompatíveis.
Quando a Representação de Partículas Deixa de Fazer Sentido
“A imagem clássica dos elétrons como pequenas partículas que sofrem colisões enquanto fluem através de um material como uma corrente elétrica é surpreendentemente robusta”, diz a Prof. Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. “Com certos aprimoramentos, ela funciona mesmo em materiais complexos onde os elétrons interagem fortemente entre si.”
Por outro lado, existem casos extremos onde essa descrição quebra completamente. Nestas situações, os transportadores de carga perdem sua natureza semelhante a partículas. Esse comportamento aparece em um composto feito de cério, rutenio e estanho (CeRu₄Sn₆), que pesquisadores da TU Wien estudaram a temperaturas extremamente baixas.
“Próximo do zero absoluto, ele exibe um tipo específico de comportamento quântico-crítico”, diz Diana Kirschbaum, primeira autora da publicação atual. “O material oscila entre dois estados diferentes, como se não conseguisse decidir qual deles queria adotar. Nesse regime oscilante, acredita-se que a representação de quasipartículas perca seu significado.”
Topologia Explicada com Pãezinhos e Donuts
Ao mesmo tempo, trabalhos teóricos sugeriram que este mesmo material deveria abrigar 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 na forma de uma maçã. Um pãozinho é topologicamente diferente de um donut, no entanto, 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 de partículas, velocidade e até mesmo a orientação do spin em relação ao movimento podem seguir padrões geométricos rigorosos. Esses padrões são extremamente estáveis. Imperfeições menores em um material não os apagam, assim como mudanças pequenas de forma não podem transformar um donut em uma maçã.
Essa estabilidade torna os efeitos topológicos especialmente atraentes para tecnologias como armazenamento de dados quânticos, sensores avançados e métodos de direcionamento de correntes elétricas sem o uso de campos magnéticos.
Uma Teoria que Não Deveria Funcionar
Embora a topologia possa parecer abstrata, teorias anteriores ainda dependiam da suposição de que partículas têm movimento bem definido. “Essas teorias assumem que se está descrevendo algo com velocidades e energias bem definidas”, explica Diana Kirschbaum.
“Mas tais velocidades e energias bem definidas parecem não existir em nosso material, porque ele exibe uma forma de comportamento quântico-crítico que é considerada incompatível com uma visão de partículas. No entanto, abordagens teóricas simples que ignoram essas propriedades não semelhantes a partículas previam anteriormente que o material deveria mostrar características topológicas.”
Isso criou uma contradição intrigante entre a teoria e o comportamento físico.
Curiosidade Leva a uma Descoberta
Por causa desse conflito, a equipe de Bühler-Paschen inicialmente relutou em prosseguir com a previsão teórica. Com o tempo, no entanto, a curiosidade venceu, e Diana Kirschbaum começou a buscar sinais experimentais de topologia.
Em temperaturas inferiores a um grau acima do zero absoluto, ela observou um sinal claro. O material exibiu um efeito Hall espontâneo (anômalo), um fenômeno normalmente causado quando os transportadores de carga são defletidos por um campo magnético.
No entanto, neste caso, a deflexão apareceu sem nenhum campo magnético externo. Em vez disso, surgiu das propriedades topológicas do material. Mais impressionante ainda, os transportadores de carga se comportavam como se fossem partículas, apesar de haver fortes evidências de que a representação de partículas não deveria se aplicar.
“Esse foi o insight-chave que nos permitiu demonstrar sem dúvida que a visão predominante deve ser revisada”, diz Silke Bühler-Paschen.
“E há mais”, acrescenta Diana Kirschbaum. “O efeito topológico é mais forte exatamente onde o material exibe as maiores flutuações. Quando essas flutuações são suprimidas por pressão ou campos magnéticos, as propriedades topológicas desaparecem.”
Uma Visão Mais Ampla da Matéria Topológica
“Isso foi uma enorme 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 Prof. Qimiao Si, desenvolveu um modelo teórico que conecta com sucesso a criticidade quântica à topologia.
“Na verdade, descobriu-se que uma representação de partículas não é necessária para gerar propriedades topológicas”, diz Bühler-Paschen. “O conceito pode realmente ser generalizado — as distinções topológicas surgem então de uma maneira mais abstrata e matemática. E mais do que isso: nossos experimentos sugerem que as propriedades topológicas podem até surgir porque estados semelhantes a partículas estão ausentes.”
Novos Caminhos para Descobrir Materiais Quânticos
A descoberta também tem importância prática. Sugere uma nova maneira de procurar materiais topológicos, focando em sistemas que exibem comportamento quântico-crítico.
“Agora sabemos que vale a pena — talvez até particularmente vale a pena — buscar propriedades topológicas em materiais quântico-críticos”, diz Bühler-Paschen. “Porque o comportamento quântico-crítico ocorre em muitas classes de materiais e pode ser identificado de forma confiável, essa conexão pode permitir a descoberta de muitos novos materiais topológicos ‘emergentes’.”