Os elétrons param de agir como partículas – e a física ainda funciona

Esta abordagem funciona bem ao explicar como a eletricidade flui através dos metais. Os físicos muitas vezes descrevem a corrente elétrica como elétrons acelerando através de um material, empurrados ou redirecionados por forças eletromagnéticas à medida que se movem.

Por que a imagem da partícula geralmente funciona

Muitas teorias modernas também se baseiam nesta visão baseada em partículas, incluindo a ideia de estados topológicos da matéria. Estes estados são tão importantes que a sua descoberta foi reconhecida com o 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 investigadores descobriram que esta imagem não se aplica a todos os materiais (ver publicação abaixo). Em alguns casos, os elétrons não se comportam mais como partículas individuais com uma posição clara ou uma velocidade única e bem definida.

Topologia sem partículas

Cientistas da TU Wien demonstraram agora que mesmo quando a imagem das partículas 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 agem 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 sofrem colisões à medida que 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 Wien. “Com certos refinamentos, funciona mesmo em materiais complexos onde os elétrons interagem fortemente uns com os outros.”

Existem, no entanto, casos extremos em que esta descrição falha totalmente. Nestas situações, os portadores de carga perdem a sua natureza semelhante a partículas. Esse comportamento aparece em um composto feito de cério, rutênio e estanho (CeRu₄Sn₆), que pesquisadores da TU Wien estudaram em temperaturas extremamente baixas.

“Perto do zero absoluto, exibe um tipo específico de comportamento crítico quântico”, diz Diana Kirschbaum, primeira autora da publicação atual. “O material 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 explicada com Rolls 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, entretanto, 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 das partículas, velocidade e até mesmo a orientação do spin em relação ao movimento podem seguir padrões geométricos estritos. Esses padrões são notavelmente estáveis. Pequenas imperfeições num material não os apagam, tal como pequenas mudanças na forma não podem transformar um donut numa maçã.

Essa estabilidade torna os efeitos topológicos especialmente atraentes para tecnologias como armazenamento de dados quânticos, sensores avançados e métodos de orientação de correntes elétricas sem o uso de campos magnéticos.

Uma teoria que não deveria ter funcionado

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 se está descrevendo algo com velocidades e energias 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 é considerado incompatível com uma imagem de partícula. No entanto, abordagens teóricas simples que ignoram essas propriedades não semelhantes a partículas já haviam previsto anteriormente que o material deveria apresentar características topológicas.”

Isso criou uma contradição intrigante entre teoria e comportamento físico.

A curiosidade leva a um avanço

Devido a este conflito, a equipa de Bühler-Paschen inicialmente relutou em prosseguir com a previsão teórica. Com o tempo, a curiosidade prevaleceu e Diana Kirschbaum começou a procurar 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 portadores de carga são desviados 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 comportavam-se como se fossem partículas, apesar das fortes evidências de que a imagem das partículas não deveria ser aplicada.

“Esta foi a ideia chave que nos permitiu demonstrar, sem sombra de dúvida, que a visão prevalecente deve ser revista”, afirma Silke Bühler-Paschen.

“E há mais”, acrescenta Diana Kirschbaum. “O efeito topológico é mais forte precisamente 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 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 vincula com sucesso a criticidade quântica à topologia.

“Na verdade, não é necessária uma imagem de partícula para gerar propriedades topológicas”, diz Bühler-Paschen. “O conceito pode de fato ser generalizado – as distinções topológicas emergem então de uma forma mais abstrata e matemática. E mais do que isso: nossos experimentos sugerem que propriedades topológicas podem até surgir porque estados semelhantes a partículas estão ausentes.”

Novos caminhos para descobrir materiais quânticos

A descoberta também tem importância prática. Ele sugere uma nova maneira de pesquisar 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. “Como o comportamento crítico quântico 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’.”