Novo estado quântico em CeRu4Sn6 revela fase de semimetal topológico na criticidade quântica

Um estado quântico da matéria surgiu num material onde os físicos consideravam isso impossível, obrigando a repensar as condições que controlam o comportamento dos eletrões em determinados materiais.

A descoberta, realizada por uma equipa internacional de investigadores, poderá orientar avanços em computação quântica, aumentar a eficiência de componentes eletrónicos e permitir tecnologias de deteção e de imagiologia mais avançadas.

CeRu4Sn6, criticidade quântica e a fase de semimetal topológico

O estado observado - descrito como uma fase de semimetal topológico - tinha sido previsto teoricamente para temperaturas baixas num material formado por cério, ruténio e estanho (CeRu₄Sn₆), antes de experiências confirmarem a sua existência.

Quando é arrefecido a temperaturas extremamente baixas, o CeRu₄Sn₆ atinge criticidade quântica: um ponto em que o material fica no limiar entre alterações de fase, num regime tão frio que as flutuações quânticas dominam. Nesse cenário, em vez de um “nevoeiro” de partículas, o material comporta-se, na prática, como uma espécie de “poça” de ondas.

A viragem inesperada deste estudo é que a criticidade quântica pode gerar estados que se pensava serem definidos por interações entre partículas - como o modo como os eletrões se comportam 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 totalmente novo, o que pode ajudar a moldar o futuro da ciência quântica.”

Topologia: quando a geometria protege propriedades dos eletrões

Em física, topologia refere-se 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 implica “coser” propriedades em mapas do tipo partícula - algo que, segundo a perspetiva tradicional, um material não deveria apresentar sob criticidade quântica.

Tanto a criticidade quântica como a topologia são valiosas em materiais, mas por razões diferentes. Reunir as duas no mesmo sistema poderá abrir caminho a uma nova classe de materiais, com grande sensibilidade nas respostas quânticas e, ao mesmo tempo, estabilidade fiável.

O efeito Hall sem campo magnético e a assinatura topológica

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

Segundo a equipa, isto foi um sinal inequívoco de efeitos topológicos. Normalmente, o efeito Hall requer um campo magnético para desviar os eletrões, mas aqui não existia qualquer campo magnético. Em vez disso, a trajetória da corrente estava a ser moldada por algo intrínseco ao próprio material.

“Este foi o principal ponto que nos permitiu demonstrar, sem margem para dúvidas, que a visão dominante tem de ser revista”, diz a física Silke Bühler-Paschen, da Universidade de Tecnologia de Viena.

Além disso, os cientistas verificaram que o efeito topológico era mais intenso precisamente onde o material era mais instável no que respeita aos padrões eletrónicos; as flutuações críticas quânticas acabaram por estabilizar a fase agora identificada.

Próximos passos: generalidade do estado e condições exatas

Ainda há muito por fazer. Os investigadores querem perceber se este estado quântico pode ser encontrado noutros materiais, de forma a avaliar até que ponto o fenómeno é geral.

Também pretendem examinar com mais detalhe a topologia observada neste caso e as condições exatas necessárias para que ela seja possível.

“As conclusões colmatam uma lacuna na física da matéria condensada ao demonstrar que interações fortes entre eletrões podem dar origem a estados topológicos, em vez de os destruir”, afirma Si.

“Além disso, revelam um novo estado quântico com uma importância 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 no sentido de desenvolver tecnologias reais que tirem partido dos princípios mais profundos da física quântica.”

A investigação foi publicada na Nature Physics.