Estado quântico de semimetal topológico surge em CeRu4Sn6 sob criticidade quântica

Um estado quântico onde ele parecia impossível

Um estado quântico da matéria apareceu em um material no qual muitos físicos consideravam isso inviável, obrigando a comunidade a repensar quais condições controlam o comportamento dos eletrões em determinados sólidos.

O achado, realizado por uma equipa internacional de investigadores, pode orientar avanços em computação quântica, aumentar a eficiência de componentes eletrónicos e abrir caminho para tecnologias de deteção, sensoriamento e imagem mais refinadas.

O estado foi caracterizado como uma fase de semimetal topológico. Ele já tinha sido previsto teoricamente para surgir a baixas temperaturas num composto formado por cério, ruténio e estanho (CeRu₄Sn₆) - e, mais tarde, medições experimentais confirmaram a sua existência.

Criticidade quântica: quando as flutuações dominam

Ao ser arrefecido até temperaturas extremamente baixas, o CeRu₄Sn₆ atinge a criticidade quântica - um ponto em que o material fica no limiar entre mudanças de fase, sob condições tão frias que as flutuações quânticas passam a comandar a dinâmica, transformando efetivamente o sólido num “poça de ondas” em vez de uma “névoa de partículas”.

O elemento inesperado do estudo é que essa 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 passo fundamental em frente”, afirma o físico Qimiao Si, da Rice University, nos EUA.

“O nosso trabalho mostra que efeitos quânticos poderosos podem combinar-se para criar algo inteiramente novo, o que pode ajudar a moldar o futuro da ciência quântica.”

Topologia e matéria condensada: proteção de propriedades

Em física, topologia diz respeito à geometria das estruturas de um material. Certos estados topológicos conseguem proteger propriedades das partículas, diferentemente do que acontece quando partículas vizinhas se empurram e acabam por perturbar o comportamento umas das outras.

Em geral, compreender estados topológicos exige “costurar” propriedades em mapas com caráter de partícula - algo que, em princípio, não se esperaria encontrar num sistema sob criticidade quântica.

Tanto a criticidade quântica como a topologia são valiosas em materiais, mas por motivos distintos. A coexistência das duas pode apontar para uma nova classe de materiais com grande sensibilidade nas respostas quânticas e, ao mesmo tempo, estabilidade confiável.

CeRu4Sn6 e o efeito Hall sem campo magnético

Quando os investigadores arrefeceram o CeRu₄Sn₆ até perto do zero absoluto e aplicaram uma carga elétrica, observaram nos eletrões que transportavam corrente um fenómeno conhecido como efeito Hall. Em termos simples, a corrente desviou-se lateralmente.

Segundo a equipa, isso foi um sinal claro de efeitos topológicos. Normalmente, o efeito Hall requer um campo magnético para desviar os eletrões, mas, neste caso, não havia campo magnético presente. Em vez disso, a trajetória da corrente estava a ser moldada por algo intrínseco ao próprio material.

“Este foi o insight-chave que nos permitiu demonstrar, sem qualquer dúvida, que a visão predominante precisa ser revista”, diz a física Silke Bühler-Paschen, da Vienna University of Technology.

Além disso, os cientistas verificaram que exatamente onde o material era mais instável do ponto de vista dos padrões eletrónicos, ali o efeito topológico se mostrava mais intenso; as flutuações quânticas críticas, na prática, estabilizavam a fase recém-descoberta.

O que ainda falta investigar

Ainda há muito por fazer. A equipa pretende verificar se este estado quântico também aparece noutros materiais, para determinar até que ponto o fenómeno é geral.

Os investigadores também querem examinar com mais detalhe a topologia observada e quais são, com precisão, as condições necessárias para que ela se torne possível.

“As descobertas preenchem uma lacuna na física da matéria condensada ao demonstrar que interações eletrónicas fortes podem dar origem a estados topológicos, em vez de destruí-los”, afirma Si.

“Além disso, elas revelam um novo estado quântico com significativa relevância prática.”

“Saber o que procurar permite explorar este fenómeno de forma mais sistemática”, acrescenta.

“Não se trata apenas de um insight teórico; é um passo em direção ao desenvolvimento de tecnologias reais que aproveitam os princípios mais profundos da física quântica.”

A investigação foi publicada na Nature Physics.