{"id":767,"date":"2016-10-07T15:30:53","date_gmt":"2016-10-07T18:30:53","guid":{"rendered":"https:\/\/www.ufrgs.br\/ciencia\/?p=767"},"modified":"2016-10-11T16:28:54","modified_gmt":"2016-10-11T19:28:54","slug":"a-importancia-sutil-do-nobel-de-fisica-2016","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.ufrgs.br\/ciencia\/a-importancia-sutil-do-nobel-de-fisica-2016\/","title":{"rendered":"A import\u00e2ncia sutil do Nobel de F\u00edsica 2016"},"content":{"rendered":"

Anunciado no dia 4 de outubro deste ano, o Pr\u00eamio Nobel de F\u00edsica 2016 laureou o trabalho de tr\u00eas cientistas na \u00e1rea de pesquisas em fases topol\u00f3gicas da mat\u00e9ria e transi\u00e7\u00f5es entre tais fases \u2013 Michael Kosterlitz, Duncan Haldane e David Thouless. O UFRGS Ci\u00eancia consultou o professor Miguel Gusm\u00e3o, pesquisador na \u00e1rea de f\u00edsica te\u00f3rica 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 f\u00edsica, o trabalho escolhido apresenta extrema complexidade, Gusm\u00e3o apontou que suas implica\u00e7\u00f5es s\u00e3o sutis, apesar de terem o potencial de mudar o cen\u00e1rio da tecnologia no futuro.<\/p>\n

Desde a escola prim\u00e1ria, aprendemos nas aulas de ci\u00eancia que a mat\u00e9ria possui estados que podemos observar rotineiramente: l\u00edquido, s\u00f3lido e gasoso. Essas fases s\u00e3o estabelecidas n\u00e3o s\u00f3 pelo que determinamos visualmente, mas refletem o arranjo das mol\u00e9culas das subst\u00e2ncias que estiverem sendo observadas \u2013 normalmente influenciado pela temperatura a que est\u00e3o expostas. Por\u00e9m, quando colocados em situa\u00e7\u00f5es extremas, como uma temperatura muito baixa, os materiais podem apresentar caracter\u00edsticas incomuns, como a supercondutividade, a superfluidez ou a ordem magn\u00e9tica \u2013 temas abordados pelos estudos em Topologia.<\/p>\n

No caso da supercondutividade, uma corrente el\u00e9trica pode passar atrav\u00e9s do material sem nenhuma resist\u00eancia. Isso porque os el\u00e9trons que transportam a corrente n\u00e3o se movem de forma independente, mas formam os chamados Pares de Cooper. Esses pares s\u00e3o duplas de el\u00e9trons unidos por uma intera\u00e7\u00e3o atrativa, de forma que, para alterar o movimento de um el\u00e9tron, \u00e9 preciso destruir o par como um todo, o que exige uma certa quantidade de energia \u2013 ausente nas baixas temperaturas, tornando os pares poss\u00edveis e est\u00e1veis. Em temperatura ambiente, devido \u00e0 grande quantidade de energia provocada pela elevada agita\u00e7\u00e3o t\u00e9rmica, n\u00e3o \u00e9 poss\u00edvel essa estabilidade.<\/p>\n

O estudo te\u00f3rico de transi\u00e7\u00f5es entre fases que existem somente abaixo de certa temperatura foi historicamente desenvolvido tendo por base principalmente a transi\u00e7\u00e3o magn\u00e9tica, que se caracteriza pela passagem entre uma fase em que os momentos magn\u00e9ticos microsc\u00f3picos (intimamente associados a uma propriedade b\u00e1sica do el\u00e9tron chamada de spin<\/em>) est\u00e3o orientados aleatoriamente em todas as dire\u00e7\u00f5es, para uma em que se ordenam paralelamente uns aos outros quando em baixas temperaturas (o material passa a se comportar como um im\u00e3). As teorias cl\u00e1ssicas de transi\u00e7\u00f5es de fase preveem que uma fase com ordem magn\u00e9tica n\u00e3o pode existir em sistemas bidimensionais \u2013 embora os materiais com os quais lidamos sejam naturalmente tridimensionais, \u00e9 poss\u00edvel sintetizar s\u00f3lidos na forma de filmes muito finos, que podem ter at\u00e9 mesmo uma \u00fanica camada de \u00e1tomos. Por\u00e9m, David Thouless e Michael Kosterlitz provaram que existe, nesses casos, uma fase de baixas temperaturas na qual os spins<\/em>, apesar de n\u00e3o se orientem paralelamente, tamb\u00e9m n\u00e3o est\u00e3o desordenados, mas formando v\u00f3rtices, isto \u00e9, c\u00edrculos conc\u00eantricos ao longo dos quais a orienta\u00e7\u00e3o dos spins vai se alterando suavemente.<\/p>\n

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Ilustra\u00e7\u00e3o: Johan Jarnestad\/The Royal Swedish Academy of Sciences<\/figcaption><\/figure>\n

V\u00f3rtices podem ser vistos como defeitos topol\u00f3gicos em um sistema uniforme. Isso levou \u00e0 an\u00e1lise de propriedades topol\u00f3gicas no \u00e2mbito das teorias de transi\u00e7\u00f5es de fase, estudos que tamb\u00e9m buscam caracterizar fases ex\u00f3ticas da mat\u00e9ria. Assim, Duncan Haldane tamb\u00e9m utilizou conceitos topol\u00f3gicos no seu estudo de propriedades gerais de sistemas magn\u00e9ticos em uma \u00fanica dimens\u00e3o (fio muito fino).<\/p>\n

Outro problema interessante no qual os tr\u00eas ganhadores do pr\u00eamio Nobel deste ano trabalharam, com base em caracter\u00edsticas topol\u00f3gicas, \u00e9 o efeito Hall qu\u00e2ntico \u2013 o estabelecimento de uma tens\u00e3o el\u00e9trica que atravessa a dire\u00e7\u00e3o de fluxo de uma corrente em um condutor sobre o qual est\u00e1 aplicado um campo magn\u00e9tico que o cruze de forma perpendicular. Em suma, isso acontece por causa da deriva lateral dos el\u00e9trons (que existem em metais sem estarem presos a nenhum n\u00facleo) pela\u00a0a\u00e7\u00e3o do campo magn\u00e9tico.<\/p>\n

Em condutores bidimensionais, a muito baixas temperaturas e com campos magn\u00e9ticos intensos, observa-se que a rela\u00e7\u00e3o da condutividade associada \u00e0 deriva lateral dos el\u00e9trons, n\u00e3o varia continuamente quando o campo magn\u00e9tico \u00e9 alterado (fazendo uma curva, como se espera), mas sim em \u201cdegraus\u201d bem definidos, assumindo valores robustos (m\u00faltiplos inteiros), o que \u00e9 comprovado em medidas de alta precis\u00e3o. Este fato indica que se trata de uma propriedade topol\u00f3gica, pois diferentes materiais apresentam esse comportamento. Uma analogia poss\u00edvel no nosso cotidiano \u00e9 classificar objetos pelo n\u00famero de furos, por exemplo: uma esfera e um p\u00e3ozinho s\u00e3o equivalentes (n\u00e3o possuem nenhum furo), mas diferem de uma rosquinha ou uma caneca com uma \u00fanica al\u00e7a (que possuem um furo cada), enquanto uma arma\u00e7\u00e3o de \u00f3culos pertence a uma terceira classe topol\u00f3gica (com dois furos) \u2013 ou seja: n\u00e3o existem meios furos, mesmo que se altere os objetos, assim como nesses casos n\u00e3o existem meios \u201cdegraus\u201d, os n\u00fameros observados avan\u00e7am ou diminuem em blocos, e n\u00e3o de forma gradual, implicando em uma const\u00e2ncia.<\/p>\n

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Ilustra\u00e7\u00e3o: Johan Jarnestad\/The Royal Swedish Academy of Sciences<\/figcaption><\/figure>\n

O trio de f\u00edsicos foi premiado pela Real Academia Sueca de Ci\u00eancias com 8 milh\u00f5es de coroas suecas (quase R$ 3 milh\u00f5es) pelo reconhecimento de seu trabalho. Embora realizadas h\u00e1 mais de 25 anos, a relev\u00e2ncia dessas comprova\u00e7\u00f5es \u00e9 reconhecida em uma nova linha de pesquisas, recentemente iniciada, em novos materiais denominados isolantes topol\u00f3gicos. Como no efeito Hall qu\u00e2ntico, mas sem a necessidade de aplica\u00e7\u00e3o de campo magn\u00e9tico, esses materiais se caracterizam por transportar uma corrente el\u00e9trica apenas pelas bordas (ou superf\u00edcies, no caso tridimensional), enquanto o interior \u00e9 isolante el\u00e9trico. A exist\u00eancia de estados condutores de borda em um isolante \u00e9 entendida como uma propriedade topol\u00f3gica. Os cientistas da \u00e1rea acreditam que esses novos materiais podem ter importantes aplica\u00e7\u00f5es tecnol\u00f3gicas em um futuro pr\u00f3ximo. Uma delas, e a mais especulada, pode estar relacionada ao desenvolvimento de computadores qu\u00e2nticos.<\/p>\n

Hoje, nossa tecnologia de programa\u00e7\u00e3o funciona de forma bin\u00e1ria, atrav\u00e9s de impulsos el\u00e9tricos (1 ou 0, sim ou n\u00e3o, ligado ou desligado). Por\u00e9m, conforme comenta Gusm\u00e3o, se essas duas possibilidades estiverem associadas a estados qu\u00e2nticos, qualquer combina\u00e7\u00e3o delas tamb\u00e9m \u00e9 um estado poss\u00edvel. Isso pode ser melhor entendido supondo, por exemplo, que 1 e 0 s\u00e3o dois pontos sobre uma esfera \u2013 o polo norte e o polo sul. Ent\u00e3o, quaisquer pontos sobre a superf\u00edcie da esfera s\u00e3o tamb\u00e9m estados qu\u00e2nticos poss\u00edveis, o que indica maior capacidade de armazenamento de informa\u00e7\u00e3o. Existem, entretanto, v\u00e1rios outros aspectos para serem levados em conta no desenvolvimento de uma tecnologia dessas. Um deles \u00e9 a estabilidade desses estados, e \u00e9 nesse ponto que os isolantes topol\u00f3gicos podem ter um papel importante, pois s\u00e3o intrinsecamente qu\u00e2nticos e apresentam estados \u201cprotegidos\u201d pela topologia.<\/p>\n

Por fim, ele conclui enfatizando que o trabalho premiado \u00e9 te\u00f3rico, mas isso, de forma alguma, diminui sua import\u00e2ncia. Apesar das sutilezas que envolvem a sua natureza, existe a expectativa de que fases topol\u00f3gicas da mat\u00e9ria e transi\u00e7\u00f5es entre elas podem vir a ter um papel muito importante na busca de novos materiais e na sua aplica\u00e7\u00e3o, incluindo o poss\u00edvel desenvolvimento de computadores com maior capacidade de processamento e armazenamento, com grande impacto no futuro da humanidade.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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