Novo Semimetal Topológico Surge Através de Flutuações Quânticas

Fases Exóticas da Matéria e suas Implicações na Ciência Moderna

As "fases exóticas da matéria" são um tema de destaque na pesquisa científica atual, tanto na física quântica básica quanto nas tecnologias emergentes, como a computação quântica. Um estudo recente revela que o composto CeRu₄Sn₆ contém um novo estado eletrônico: um semimetal topológico, estabilizado pela criticalidade quântica. Este trabalho foi publicado na Nature Physics em 14 de janeiro.

Importância dos Materiais Topológicos

Materiais topológicos possuem propriedades eletrônicas que são protegidas por simetrias, tornando-os resistentes a pequenas impurezas e deformações. Essa resiliência pode ser utilizada para armazenar e manipular informações quânticas com menor decoerência, um dos principais desafios no desenvolvimento da computação quântica.

Avanços na Pesquisa

Os pesquisadores, liderados por Julio Larrea Jiménez, mostraram que simetrias sofisticadas, como a quiralidade, podem levar à formação de estados quânticos além dos que são descritos pela equação de Schrödinger. Neste estudo, embora quase-partículas pertinentes perdessem definição no CeRu₄Sn₆, a estrutura eletrônica surpreendentemente permitiu o surgimento de um semimetal topológico.

Comunicações Teóricas e Experimentais

Os pesquisadores utilizaram um modelo teórico de semimetal no ponto crítico, onde o efeito Kondo se dissipa. Esse modelo demonstrou que cruzamentos topológicos nas bandas eletrônicas podem ocorrer mesmo sem quase-partículas definidas, devido às flutuações quânticas.

Efeito Hall Espontâneo

O CeRu₄Sn₆ apresentou um efeito Hall espontâneo, evidenciando a presença de uma voltagem transversal sem a necessidade de um campo magnético externo, um comportamento característico dos semimetais de Weyl. O estudo propõe um semimetal Weyl-Kondo em condições extremas, destacando que as flutuações quânticas podem criar novos cruzamentos topológicos, sem desmantelar a estrutura eletrônica.

Contribuições para o Estudo da Física

Esse trabalho é uma demonstração empírica de processos até então teóricos, enfatizando a importância de combinar interações e simetrias na compreensão de material quântico. Na região crítica do sistema, um novo estado topológico pode emergir exatamente onde a definição de quase-partículas falha.

O Futuro da Pesquisa em Topologia

Recentemente, a topologia tornou-se uma nova linguagem na física, permitindo explicar fenômenos complexos e robustos a perturbações externas. O avanço neste campo já foi reconhecido com o Prêmio Nobel de Física de 2016. Experimentos recentes com pressões extremas e temperaturas próximas ao zero absoluto estão abrindo novos caminhos para estados quânticos.

Apoio e Referências

O estudo foi realizado com o apoio da FAPESP, através de um auxílio concedido a Larrea. O artigo Emergent topological semimetal from quantum criticality pode ser acessado aqui.

Glossário

• Férmions Pesados: Quase-partículas com massa efetiva muito maior que a do elétron livre.
• Semimetal Topológico: Material com propriedades eletrônicas que são robustas devido a simetrias topológicas.
• Criticalidade Quântica: Transição de fase contínua em temperatura zero, influenciada por flutuações quânticas.
• Quiralidade: Propriedade de não ser sobreponível à sua imagem espelhada.
• Efeito Hall Espontâneo: Geração de voltagem transversal sem campo magnético externo.
• Semimetal de Weyl: Estado eletrônico topológico que exibe propriedades de transporte incomuns.

Esse avanço nas fases exóticas da matéria não apenas expande o conhecimento da física quântica, mas também potencia novas tecnologias que poderão emergir a partir dessas descobertas.

Informações da Agência FAPESP