Um donut não é um pãozinho de café da manhã. Esses são dois objetos claramente distinguíveis: um tem um buraco, o outro não. Em matemática, diz-se que as duas formas são topologicamente diferentes – você não pode transformar uma na outra por meio de pequenas e contínuas deformações. Portanto, a diferença entre eles é robusta a perturbações: mesmo se você amassar e dobrar o pão, ele ainda não parecerá um donut.
Tais propriedades topológicas também desempenham um papel importante na ciência dos materiais, embora de forma um pouco mais abstrata. Se uma propriedade do material pode ser explicada topologicamente, então também é robusta a distúrbios: uma mudança nas condições ambientais não a faz desaparecer. Agora, pela primeira vez, uma equipe de pesquisa conseguiu alterar especificamente essa propriedade topológica: certos estados do material são estáveis contra distúrbios em uma ampla gama de parâmetros, mas em um determinado campo magnético eles podem ser completamente desligados. Isso torna as propriedades topológicas do material manipuláveis pela primeira vez.
Geometria em espaços abstratos
Na física, as “propriedades topológicas” de um material não têm nada a ver com sua forma geométrica – não se trata de amostras de cristal que são em forma de rosquinha ou esféricas. Em vez disso, o termo “propriedades topológicas” refere-se à interação complexa de muitos elétrons no material.
Essa interação pode ser representada matematicamente de maneiras muito específicas. Muitas vezes é útil não pensar na posição dos elétrons, mas sim em seu momento – ou em outras palavras: em sua posição em um “espaço de momento” abstrato. Em tais espaços matemáticos, certas propriedades do material podem ser estudadas, que podem ser distinguidas umas das outras de acordo com critérios topológicos – semelhantes a donuts e pães.
“Encontrar tais propriedades topológicas é uma coisa excitante por si só; em 2016, o Prêmio Nobel de Física foi concedido pelas descobertas de tais estados”, diz a Prof. Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. “Mas agora conseguimos mostrar algo completamente novo: conseguimos pela primeira vez manipular e até desligar esses estados topológicos.”
Efeitos topológicos extremos em portadores de carga lenta
Um material especial feito de cério, bismuto e paládio foi usado para esta finalidade. O grupo de pesquisa de Bühler-Paschen já havia feito várias descobertas espetaculares em anos anteriores usando esse material. Por exemplo, eles foram capazes de demonstrar um comportamento topológico exótico neste material medindo com precisão suas propriedades elétricas ou térmicas.
Este comportamento resulta do fato de que a carga elétrica neste material se move de forma peculiar. Em um material eletricamente condutor comum, a corrente flui simplesmente por elétrons individuais movendo-se através do material. Neste material especial, no entanto, é diferente.
A interação de muitos portadores de carga cria aqui “quasipartículas” muito especiais – uma excitação coletiva dos portadores de carga que podem se propagar através do material, semelhante à forma como o som pode se propagar pelo ar como uma onda de densidade sem que partículas de ar individuais tenham que se mover do som fonte para o receptor de som.
Essas excitações se movem muito lentamente neste material. De certa forma, eles não se superam muito bem. E isso leva ao fato de que as propriedades topológicas do material no espaço de momento têm consequências particularmente fortes neste caso.
Desligando as propriedades topológicas
“Nossas medições mostram que essas propriedades elétricas e térmicas são realmente robustas, como seria de esperar das propriedades topológicas do material”, diz Bühler-Paschen. Pequenas impurezas ou distúrbios externos não provocam uma mudança dramática. “Mas, surpreendentemente, descobrimos: com um campo magnético externo, você pode controlar essas propriedades topológicas. Você pode até fazê-las desaparecer completamente em um determinado ponto. Portanto, temos propriedades estáveis e robustas que você pode ativar e desativar seletivamente.”
Esse controle é possibilitado pela estrutura interna das excitações, que são responsáveis pelo transporte de cargas: elas carregam não apenas carga elétrica, mas também um momento magnético – e isso permite comutá-las através de um campo magnético.
“Se você aplicar um campo magnético externo cada vez mais forte, você pode imaginar esses portadores de carga sendo empurrados cada vez mais perto até que eles se encontrem e se aniquilem – semelhante a uma partícula de matéria e uma partícula de antimatéria se você as deixar colidir”, diz Silke Bühler-Paschen.
Pesquisa mundial de aplicativos interessantes
Os experimentos foram conduzidos em TU Wien (Viena), mas para algumas medições adicionais a equipe pôde usar laboratórios de alto campo em Nijmegen (Holanda) e no Laboratório Nacional de Los Alamos (EUA). O suporte teórico foi fornecido pela Rice University (EUA).
“Esta controlabilidade recém-descoberta torna os materiais topológicos que já atraíram tanta atenção na física ainda mais interessantes”, está convencida de Silke Bühler-Paschen.
Possivelmente, os estados topológicos comutáveis podem ser usados para sensores ou tecnologia de comutação. É precisamente porque as excitações no material são tão lentas e, portanto, têm uma energia muito baixa que são particularmente interessantes: as excitações acoplam-se à radiação na faixa de micro-ondas, o que é particularmente importante para muitas aplicações técnicas. Aplicações inteiramente novas e mais exóticas em eletrônica, incluindo computadores quânticos, também são concebíveis.
Publicado em 11/10/2022 07h27
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