A física quântica mostra que as partículas não se comportam como sólidos com posições fixas. Em vez disso, comportam-se mais como ondas, o que significa que a sua localização exacta no espaço não é conhecida com precisão. Mesmo assim, em muitas situações do quotidiano, os cientistas ainda conseguem descrever partículas de formas clássicas e familiares. Eles os imaginam como pequenos objetos movendo-se pelo espaço a velocidades específicas.
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 rapidamente através de um material, sendo 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. Esses estados são tão importantes que sua descoberta ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2016. Embora a matemática fosse muito avançada, essas teorias ainda presumiam que os elétrons se comportavam como partículas com movimento bem definido.
No entanto, os investigadores descobriram que esta imagem não se aplica a todos os materiais (ver publicação abaixo). Sob certas circunstâncias, os elétrons não se comportam mais como partículas individuais com uma posição bem definida ou uma velocidade única bem definida.
topologia sem partículas
Cientistas da Universidade Técnica de Viena demonstraram agora que os materiais ainda podem exibir propriedades topológicas mesmo que as imagens das partículas falhem. Até agora, pensava-se que estas propriedades dependiam do comportamento semelhante ao das partículas.
Esta descoberta revelou algo inesperado. Os estados topológicos não estão limitados a sistemas onde os elétrons agem como partículas. Em vez disso, estes países tornaram-se mais comuns, reunindo ideias que antes pareciam incompatíveis.
Quando as imagens de partículas não fazem mais sentido
“A imagem clássica dos elétrons como pequenas partículas colidindo ao fluir 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 certas melhorias, pode funcionar até mesmo em materiais complexos onde os elétrons interagem fortemente entre si.”
Em casos extremos, contudo, esta descrição simplesmente não se sustenta. Nestes casos, os portadores de carga perdem a sua natureza de partícula. Esse comportamento ocorre em um composto feito de cério, rutênio e estanho (CeRu₄Sn₆), que pesquisadores da Universidade Técnica de Viena estudaram em temperaturas extremamente baixas.
“Perto do zero absoluto, exibe um tipo específico de comportamento crítico quântico”, disse Diana Kirschbaum, primeira autora da publicação atual. “O material flutua entre dois estados diferentes, como se não pudesse decidir qual estado adotar. Nesse estado flutuante, acredita-se que a imagem da quasipartícula perde seu significado.”
Topologia explicada com pãezinhos e donuts
Ao mesmo tempo, trabalhos teóricos mostraram que o material deveria possuir estados topológicos. Silke Bühler-Paschen explica: “O termo topologia vem da matemática e é usado para distinguir certas estruturas geométricas.”
“Por exemplo, uma maçã é topologicamente equivalente a um pãozinho porque um pãozinho pode ser continuamente deformado na forma de uma maçã. No entanto, um pãozinho é topologicamente diferente de um donut porque o donut tem um buraco que não pode ser formado por deformação contínua.”
Os físicos usam ideias semelhantes para descrever estados da matéria. Propriedades como energia das partículas, velocidade e até mesmo a direção do giro em relação ao movimento podem seguir padrões geométricos rígidos. Esses modos são muito estáveis. Pequenas imperfeições no material não irão eliminá-los, 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 métodos de direcionamento de corrente elétrica que não utilizam campos magnéticos.
Uma teoria que não deveria funcionar
Embora a topologia pareça abstrata, as teorias anteriores ainda se baseavam na suposição de que as partículas tinham movimentos bem definidos. “Essas teorias pressupõem que se descrevem objetos com velocidades e energias bem definidas”, explica Diana Kirschbaum.
“Mas essas velocidades e energias bem definidas não parecem estar presentes no nosso material, uma vez que exibe um comportamento quântico crítico considerado incompatível com a imagem da partícula. No entanto, abordagens teóricas simples que ignoram estas propriedades não semelhantes a partículas previam anteriormente que o material deveria exibir características topológicas.”
Isso cria uma contradição intrigante entre teoria e comportamento físico.
A curiosidade leva a descobertas
Devido a este conflito, a equipe de Bühler-Paschen inicialmente relutou em prosseguir com as previsões teóricas. Com o tempo, a curiosidade tomou conta dela e Diana Kirchenbaum começou a procurar sinais experimentais de topologia.
Ela observou sinais claros em temperaturas inferiores a um grau acima do zero absoluto. O material exibe o efeito Hall espontâneo (anômalo), um fenômeno normalmente causado quando portadores de carga são desviados por um campo magnético.
Neste caso, entretanto, a deflexão ocorre sem qualquer campo magnético externo. Em vez disso, surge das propriedades topológicas do material. Ainda mais surpreendente é que os portadores de carga se comportam como se fossem partículas, apesar das fortes evidências de que os diagramas de partículas não se aplicam.
“Esta é uma visão fundamental que nos permite provar, sem sombra de dúvida, que a visão prevalecente deve ser revista”, afirma Silke Bühler-Paschen.
“Tem mais”, acrescentou Diana Kirschbaum. “Os efeitos topológicos são mais fortes onde o material apresenta as maiores flutuações. Quando essas flutuações são suprimidas pela pressão ou campos magnéticos, as propriedades topológicas desaparecem.”
Uma visão mais ampla da questão topológica
“Esta foi uma grande surpresa”, diz Silke Bühler-Paschen. “Isso mostra que os estados topológicos devem ser definidos em termos amplos.”
Os pesquisadores descrevem a fase recém-descoberta como um semimetal topológico emergente. Trabalhando com colaboradores da Rice University, no Texas, onde Chen Lei, do grupo de pesquisa do professor Si Qimiao (co-primeiro autor da publicação), eles desenvolveram um modelo teórico que vincula com sucesso a criticidade quântica à topologia.
“Na verdade, acontece que as imagens de partículas não são necessárias para gerar propriedades topológicas”, disse Bühler-Paschen. “Este conceito pode de fato ser generalizado – distinções topológicas emergem de uma forma mais abstrata e matemática. Além do mais: nossos experimentos mostram que propriedades topológicas podem até emergir da ausência de estados semelhantes a partículas.”
Novas maneiras de descobrir materiais quânticos
A descoberta também tem implicações práticas. Propõe uma nova abordagem para a busca de materiais topológicos, concentrando-se em sistemas que apresentam comportamento quântico crítico.
“Sabemos agora que vale a pena procurar propriedades topológicas de materiais quânticos críticos, talvez até particularmente valiosos”, 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’.”
