Novo estado quântico em CeRu4Sn6 desafia a criticidade quântica e revela fase semimetal topológica

Descoberta inesperada de um estado quântico em CeRu₄Sn₆

Um estado quântico da matéria foi identificado em um material no qual muitos físicos consideravam que isso não poderia acontecer, o que obriga a reavaliar as condições que controlam como os eletrões se comportam em certos sólidos.

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

O estado observado - descrito como uma fase semimetal topológica - já tinha sido previsto teoricamente para surgir a baixas temperaturas num composto de cério, ruténio e estanho (CeRu₄Sn₆). Posteriormente, medições experimentais confirmaram que ele de facto existe.

Criticidade quântica e topologia no mesmo material

Ao ser arrefecido a temperaturas extremamente baixas, o CeRu₄Sn₆ alcança a criticidade quântica: um ponto em que o material fica no limiar entre alterações de fase, sob condições tão frias que as flutuações quânticas passam a dominar - como se o sólido deixasse de ser uma “névoa” de partículas e se tornasse uma poça de ondas.

O elemento surpreendente do estudo é que a criticidade quântica pode dar origem a estados que se imaginava dependerem de interações definidas entre partículas, como a maneira pela qual os eletrões se comportam como portadores discretos de carga.

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

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

Na 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 em mapas com características de partículas - algo que, em princípio, um material não deveria apresentar quando está sob criticidade quântica.

Tanto a criticidade quântica quanto a topologia são úteis em materiais, mas por motivos diferentes. Quando as duas aparecem juntas, isso pode abrir caminho para uma nova classe de materiais com respostas quânticas muito sensíveis e, ao mesmo tempo, estabilidade confiável.

O que o efeito Hall revelou sobre a fase semimetal topológica

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

Segundo os autores, esse resultado foi um sinal nítido de efeitos topológicos. Normalmente, o efeito Hall exige um campo magnético para desviar os eletrões, mas aqui não havia qualquer campo magnético. Em vez disso, o percurso da corrente estava a ser moldado por algo inerente ao próprio material.

"Este foi o insight-chave que nos permitiu demonstrar, sem margem para dúvidas, que a visão predominante precisa ser revista", diz a física Silke Bühler-Paschen, da Universidade de Tecnologia de Viena.

Além disso, os cientistas verificaram que o efeito topológico se tornava mais intenso justamente onde o material era mais instável no que diz respeito aos seus padrões eletrónicos; as flutuações de criticidade quântica, na prática, estabilizaram a fase recém-descoberta.

O que os investigadores ainda querem esclarecer

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

Outra meta é examinar com mais detalhe a topologia observada neste caso e quais são, exatamente, as condições necessárias para que ela se torne possível.

"Os resultados preenchem uma lacuna na física da matéria condensada ao demonstrar que interações fortes entre eletrões podem dar origem a estados topológicos, em vez de destruí-los", diz Si.

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

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

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

A investigação foi publicada na revista Nature Física.