Semimetal topológico em CeRu4Sn6 sob criticidade quântica surpreende físicos

Um estado quântico da matéria surgiu em um material no qual muitos físicos consideravam isso inviável, o que obriga a repensar quais condições controlam o comportamento dos eletrões em certos sólidos.

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

A fase de semimetal topológico prevista para o CeRu4Sn6

O estado observado - descrito como uma fase de semimetal topológico - tinha sido previsto teoricamente para aparecer a baixas temperaturas num material formado por cério, ruténio e estanho (CeRu4Sn6). Depois, medições experimentais confirmaram que ele realmente existe.

Criticidade quântica e topologia no mesmo material

Quando é arrefecido a temperaturas extremamente baixas, o CeRu4Sn6 atinge a criticidade quântica: um ponto em que o material fica no limite entre mudanças de fase e em que, por estar tão frio, as flutuações quânticas passam a dominar - como se o sólido deixasse de se comportar como uma “névoa de partículas” e passasse a parecer uma “poça de ondas”.

A reviravolta deste estudo é que a criticidade quântica pode dar origem a estados que se imaginava dependerem de interações definidas entre partículas, como o comportamento dos eletrões enquanto portadores discretos de carga.

"Este é um passo fundamental em frente", diz o físico Qimiao Si, da Universidade Rice, 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."

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

Em geral, compreender estados topológicos envolve “costurar” propriedades numa espécie de mapa com caráter de partícula - algo que, segundo a visão tradicional, um material sob criticidade quântica não teria.

Tanto a criticidade quântica como a topologia são úteis, cada uma por motivos diferentes, no estudo e no desenvolvimento de materiais. No entanto, reuni-las no mesmo sistema pode abrir caminho para uma nova classe de materiais, com respostas quânticas muito sensíveis e, ao mesmo tempo, estabilidade fiável.

Efeito Hall sem campo magnético

Ao arrefecerem o CeRu4Sn6 até perto do zero absoluto e aplicarem uma carga elétrica, os investigadores observaram, nos eletrões que transportavam a corrente através do material, um fenómeno conhecido como efeito Hall. Na prática, a corrente desviou-se lateralmente.

Segundo a equipa, isso foi um sinal claro de efeitos topológicos. Normalmente, o efeito Hall exige um campo magnético para desviar os eletrões - mas, neste caso, não havia campo magnético. 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 dúvida, que a visão predominante precisa de ser revista", afirma a física Silke Bühler-Paschen, da Universidade de Tecnologia de Viena.

Além disso, os cientistas verificaram que o local em que o material era mais instável em termos dos seus padrões eletrónicos era exatamente onde o efeito topológico se mostrava mais intenso; as flutuações de criticidade quântica, na prática, estabilizaram a fase recém-descoberta.

O que os investigadores querem investigar a seguir

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

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

"As conclusões preenchem uma lacuna na física da matéria condensada ao demonstrar que interações eletrónicas fortes podem dar origem a estados topológicos, em vez de os destruir", diz Si.

"Além disso, revelam um novo estado quântico com relevância prática substancial."

"Saber o que procurar permite-nos explorar este fenómeno de forma mais sistemática", acrescenta.

"Não é apenas uma perceção teórica; é um passo rumo ao desenvolvimento de tecnologias reais que aproveitam os princípios mais profundos da física quântica."

A pesquisa foi publicada na revista Nature Física.