Cientistas descobrem novo estado quântico da matéria antes considerado impossível.

Um estado quântico da matéria surgiu em um material no qual muitos físicos consideravam isso improvável - um resultado que obriga a repensar quais condições realmente controlam o comportamento dos eletrões em determinadas classes de sólidos.

A observação foi feita por uma equipa internacional de investigadores e pode orientar avanços em computação quântica, elevar a eficiência de componentes eletrónicos e abrir caminho para tecnologias de deteção, sensoriamento e imagem com melhor desempenho.

CeRu₄Sn₆: criticidade quântica e a fase de semimetal topológico no mesmo material

O estado identificado é descrito como uma fase de semimetal topológico. Modelos teóricos já indicavam que esse fenómeno poderia emergir a baixas temperaturas num composto de cério, ruténio e estanho, o CeRu₄Sn₆. Posteriormente, experiências confirmaram que a fase de facto aparece.

Quando o CeRu₄Sn₆ é arrefecido para temperaturas extremamente baixas, aproxima-se da criticidade quântica - um ponto em que o material fica “no limiar” entre diferentes fases. Nessa condição, o frio é tão intenso que as flutuações quânticas passam a dominar: em vez de um cenário que se comporta como uma névoa de partículas bem definidas, o sistema fica mais parecido com um “poço” de ondas.

Porque topologia importa em materiais

Na física, topologia refere-se a aspetos geométricos das estruturas materiais. Certos estados topológicos conseguem proteger propriedades das quase-partículas associadas aos eletrões, evitando que perturbações locais - como o “empurrão” entre vizinhos - destruam o comportamento coletivo.

Em geral, compreender estados topológicos envolve representar propriedades do material como mapas com caráter “de partícula”. Por isso, durante muito tempo, não se esperava que um material em criticidade quântica - precisamente onde as descrições clássicas de partículas ficam menos adequadas - fosse um terreno fértil para topologia.

Ainda assim, tanto a criticidade quântica quanto a topologia são valiosas por motivos distintos. A possibilidade de as duas ocorrerem em conjunto sugere uma nova família de materiais capazes de responder com grande sensibilidade a estímulos quânticos, ao mesmo tempo em que mantêm uma estabilidade surpreendentemente fiável.

O “plot twist”: flutuações quânticas a favorecerem o estado topológico

O ponto mais inesperado do estudo é que a criticidade quântica pode dar origem a estados que se imaginava dependerem sobretudo de interações entre partículas, como o comportamento dos eletrões enquanto portadores discretos de carga.

“Este é um avanço fundamental”, afirma o físico Qimiao Si, da Universidade Rice (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.”

Evidência experimental: o efeito Hall sem campo magnético

Ao arrefecer o CeRu₄Sn₆ para muito perto do zero absoluto e aplicar uma carga elétrica, os investigadores observaram nos eletrões que transportavam corrente um fenómeno conhecido como efeito Hall: a corrente desviou-se lateralmente.

Segundo a equipa, esse foi um sinal inequívoco de efeitos topológicos. Normalmente, o efeito Hall exige um campo magnético para defletir os eletrões - mas, desta vez, não havia campo magnético. Em vez disso, a trajetória da corrente estava a ser moldada por algo inerente ao próprio material.

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

Onde o material é mais instável, o efeito topológico é mais forte

Os cientistas também verificaram um padrão marcante: justamente nas regiões em que o material era mais instável em termos dos seus “desenhos” eletrónicos, o efeito topológico aparecia com maior intensidade. Em outras palavras, as flutuações associadas à criticidade quântica não enfraqueceram a fase - pelo contrário, estabilizaram a fase recém-descoberta.

Essa conclusão fecha uma lacuna importante na física da matéria condensada. Como resume Si, os resultados demonstram que interações fortes entre eletrões podem gerar estados topológicos, em vez de os destruir. Além disso, revelam um novo estado quântico com elevado potencial prático.

O que muda para tecnologias e para a busca de novos materiais

Se estados topológicos puderem ser sustentados (ou até favorecidos) por condições próximas à criticidade quântica, abre-se um caminho promissor para desenhar materiais em que propriedades úteis - como condução robusta e respostas elétricas peculiares - sejam menos vulneráveis a imperfeições microscópicas. Isso é particularmente relevante quando se pensa em plataformas para computação quântica e em eletrónica de baixo consumo, onde a estabilidade do comportamento eletrónico é tão crítica quanto a performance.

Outra implicação é metodológica: medir assinaturas elétricas como o efeito Hall em regimes extremos de temperatura torna-se uma estratégia direta para “procurar” topologia onde antes quase ninguém imaginava que ela pudesse existir. Essa abordagem pode acelerar a triagem de compostos candidatos e orientar, de forma mais eficiente, o desenvolvimento de materiais com respostas quânticas controláveis.

Próximos passos

Ainda há muito trabalho pela frente. A equipa pretende verificar se este estado quântico da matéria também surge noutros materiais, para determinar até que ponto o fenómeno é geral.

Os investigadores também querem analisar com mais detalhe a topologia observada e mapear com precisão as condições necessárias para que ela se torne possível.

“Ter clareza sobre o que procurar permite explorar este fenómeno de forma mais sistemática”, acrescenta Si. “Não é apenas um insight teórico; é um passo rumo ao desenvolvimento de tecnologias reais que aproveitem os princípios mais profundos da física quântica.”

A pesquisa foi publicada numa revista científica internacional especializada em física.