A importância sutil do Nobel de Física 2016

Professor do Instituto de Física da UFRGS, Miguel Gusmão fala sobre as pesquisas relacionadas às fases topológicas da matéria e seu potencial para mudar o cenário da tecnologia no futuro
David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz foram os laureados com o Nobel de Física em 2016- Ilustração: Niklas Elmehed/The Nobel Foundation

Anunciado no dia 4 de outubro deste ano, o Prêmio Nobel de Física 2016 laureou o trabalho de três cientistas na área de pesquisas em fases topológicas da matéria e transições entre tais fases – Michael Kosterlitz, Duncan Haldane e David Thouless. O UFRGS Ciência consultou o professor Miguel Gusmão, pesquisador na área de física teórica dentro da Universidade desde 1981, para comentar e explicar no que implicam as descobertas premiadas com o Nobel. Ressaltando que, mesmo para os pesquisadores desse ramo da física, o trabalho escolhido apresenta extrema complexidade, Gusmão apontou que suas implicações são sutis, apesar de terem o potencial de mudar o cenário da tecnologia no futuro.

Desde a escola primária, aprendemos nas aulas de ciência que a matéria possui estados que podemos observar rotineiramente: líquido, sólido e gasoso. Essas fases são estabelecidas não só pelo que determinamos visualmente, mas refletem o arranjo das moléculas das substâncias que estiverem sendo observadas – normalmente influenciado pela temperatura a que estão expostas. Porém, quando colocados em situações extremas, como uma temperatura muito baixa, os materiais podem apresentar características incomuns, como a supercondutividade, a superfluidez ou a ordem magnética – temas abordados pelos estudos em Topologia.

No caso da supercondutividade, uma corrente elétrica pode passar através do material sem nenhuma resistência. Isso porque os elétrons que transportam a corrente não se movem de forma independente, mas formam os chamados Pares de Cooper. Esses pares são duplas de elétrons unidos por uma interação atrativa, de forma que, para alterar o movimento de um elétron, é preciso destruir o par como um todo, o que exige uma certa quantidade de energia – ausente nas baixas temperaturas, tornando os pares possíveis e estáveis. Em temperatura ambiente, devido à grande quantidade de energia provocada pela elevada agitação térmica, não é possível essa estabilidade.

O estudo teórico de transições entre fases que existem somente abaixo de certa temperatura foi historicamente desenvolvido tendo por base principalmente a transição magnética, que se caracteriza pela passagem entre uma fase em que os momentos magnéticos microscópicos (intimamente associados a uma propriedade básica do elétron chamada de spin) estão orientados aleatoriamente em todas as direções, para uma em que se ordenam paralelamente uns aos outros quando em baixas temperaturas (o material passa a se comportar como um imã). As teorias clássicas de transições de fase preveem que uma fase com ordem magnética não pode existir em sistemas bidimensionais – embora os materiais com os quais lidamos sejam naturalmente tridimensionais, é possível sintetizar sólidos na forma de filmes muito finos, que podem ter até mesmo uma única camada de átomos. Porém, David Thouless e Michael Kosterlitz provaram que existe, nesses casos, uma fase de baixas temperaturas na qual os spins, apesar de não se orientem paralelamente, também não estão desordenados, mas formando vórtices, isto é, círculos concêntricos ao longo dos quais a orientação dos spins vai se alterando suavemente.

 Ilustração: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Ilustração: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Vórtices podem ser vistos como defeitos topológicos em um sistema uniforme. Isso levou à análise de propriedades topológicas no âmbito das teorias de transições de fase, estudos que também buscam caracterizar fases exóticas da matéria. Assim, Duncan Haldane também utilizou conceitos topológicos no seu estudo de propriedades gerais de sistemas magnéticos em uma única dimensão (fio muito fino).

Outro problema interessante no qual os três ganhadores do prêmio Nobel deste ano trabalharam, com base em características topológicas, é o efeito Hall quântico – o estabelecimento de uma tensão elétrica que atravessa a direção de fluxo de uma corrente em um condutor sobre o qual está aplicado um campo magnético que o cruze de forma perpendicular. Em suma, isso acontece por causa da deriva lateral dos elétrons (que existem em metais sem estarem presos a nenhum núcleo) pela ação do campo magnético.

Em condutores bidimensionais, a muito baixas temperaturas e com campos magnéticos intensos, observa-se que a relação da condutividade associada à deriva lateral dos elétrons, não varia continuamente quando o campo magnético é alterado (fazendo uma curva, como se espera), mas sim em “degraus” bem definidos, assumindo valores robustos (múltiplos inteiros), o que é comprovado em medidas de alta precisão. Este fato indica que se trata de uma propriedade topológica, pois diferentes materiais apresentam esse comportamento. Uma analogia possível no nosso cotidiano é classificar objetos pelo número de furos, por exemplo: uma esfera e um pãozinho são equivalentes (não possuem nenhum furo), mas diferem de uma rosquinha ou uma caneca com uma única alça (que possuem um furo cada), enquanto uma armação de óculos pertence a uma terceira classe topológica (com dois furos) – ou seja: não existem meios furos, mesmo que se altere os objetos, assim como nesses casos não existem meios “degraus”, os números observados avançam ou diminuem em blocos, e não de forma gradual, implicando em uma constância.

Ilustração: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

O trio de físicos foi premiado pela Real Academia Sueca de Ciências com 8 milhões de coroas suecas (quase R$ 3 milhões) pelo reconhecimento de seu trabalho. Embora realizadas há mais de 25 anos, a relevância dessas comprovações é reconhecida em uma nova linha de pesquisas, recentemente iniciada, em novos materiais denominados isolantes topológicos. Como no efeito Hall quântico, mas sem a necessidade de aplicação de campo magnético, esses materiais se caracterizam por transportar uma corrente elétrica apenas pelas bordas (ou superfícies, no caso tridimensional), enquanto o interior é isolante elétrico. A existência de estados condutores de borda em um isolante é entendida como uma propriedade topológica. Os cientistas da área acreditam que esses novos materiais podem ter importantes aplicações tecnológicas em um futuro próximo. Uma delas, e a mais especulada, pode estar relacionada ao desenvolvimento de computadores quânticos.

Hoje, nossa tecnologia de programação funciona de forma binária, através de impulsos elétricos (1 ou 0, sim ou não, ligado ou desligado). Porém, conforme comenta Gusmão, se essas duas possibilidades estiverem associadas a estados quânticos, qualquer combinação delas também é um estado possível. Isso pode ser melhor entendido supondo, por exemplo, que 1 e 0 são dois pontos sobre uma esfera – o polo norte e o polo sul. Então, quaisquer pontos sobre a superfície da esfera são também estados quânticos possíveis, o que indica maior capacidade de armazenamento de informação. Existem, entretanto, vários outros aspectos para serem levados em conta no desenvolvimento de uma tecnologia dessas. Um deles é a estabilidade desses estados, e é nesse ponto que os isolantes topológicos podem ter um papel importante, pois são intrinsecamente quânticos e apresentam estados “protegidos” pela topologia.

Por fim, ele conclui enfatizando que o trabalho premiado é teórico, mas isso, de forma alguma, diminui sua importância. Apesar das sutilezas que envolvem a sua natureza, existe a expectativa de que fases topológicas da matéria e transições entre elas podem vir a ter um papel muito importante na busca de novos materiais e na sua aplicação, incluindo o possível desenvolvimento de computadores com maior capacidade de processamento e armazenamento, com grande impacto no futuro da humanidade.

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