Flutuações quânticas fazem emergir um novo tipo de semimetal topológico

Diagrama de fase em função da temperatura (T), pressão (p) e campo magnético (B), que
esquematiza a emergência de um estado topológico quântico (Semimetal de Weyl) a partir
de flutuações quânticas geradas por uma transição de fase quântica contínua
ou Ponto Crítico Quântico (QCP) (figura: Julio Larrea Jiménez)

Trabalho teórico e experimental descrito na Nature Physics amplia o repertório de fases exóticas da matéria

 

As chamadas “fases exóticas da matéria” constituem, hoje, importante foco de atenção da pesquisa científica. Por dois motivos: do ponto de vista da ciência básica, elas compõem um continente quase inexplorado da física quântica; do ponto de vista da ciência aplicada, são matrizes de tecnologias emergentes, entre elas, a computação quântica robusta.

Um estudo recente conduzido por colaboração internacional de pesquisadores mostrou que um composto de férmions pesados, o CeRu_₄Sn_₆, abriga um estado eletrônico inteiramente novo: um semimetal topológico, estabilizado não apesar, mas graças à criticalidade quântica (descrições sumárias dos principais conceitos físicos referidos nesta reportagem estão disponíveis em glossário no final do texto). Artigo a respeito foi publicado quarta-feira (14/01) na Nature Physics.

“O trabalho amplia o repertório de fases exóticas da matéria e sugere que pontos críticos quânticos podem funcionar como ‘berçários’ de estados topológicos fortemente correlacionados”, diz o físico Julio Larrea Jiménez, professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP), cofundador e chefe do Laboratory for Quantum Matter under Extreme Conditions (LQMEC) do instituto e um dos autores do artigo.

Materiais topológicos são aqueles cujas propriedades eletrônicas são protegidas por simetrias: pequenas impurezas, deformações ou flutuações não conseguem destruir facilmente o estado quântico global. O interesse por esse tipo de material é fácil de entender, pois, se a topologia protege o estado quântico contra perturbações locais, isso pode se tornar um recurso para armazenar e manipular informação quântica com menos decoerência: o grande desafio para o desenvolvimento da computação quântica.

Segundo Larrea, o avanço proporcionado pelo estudo foi mostrar experimentalmente que simetrias sofisticadas, associadas a topologias não triviais, como a quiralidade, podem promover estados quânticos diferentes daqueles estudados há quase um século por meio da equação de Schrödinger. Vale dizer que, além dos estados anteriormente conhecidos, existem outros, condicionados pela atuação de simetrias inusuais sobre o sistema.

“A forma como os elétrons se organizam em um material, a chamada topologia trivial’, gerada por simetrias convencionais, costuma ser descrita por meio dos estados de Bloch. Em materiais metálicos, as interações entre os elétrons normalmente são tratadas usando-se a ideia de quase-partículas. Mas no composto de férmions pesados CeRu_₄Sn_₆, em um estado de criticalidade quântica genuína, essas quase-partículas simplesmente deixam de existir. Mesmo assim, de maneira surpreendente, encontramos, nesse regime extremo, o surgimento de um semimetal topológico”, afirma Larrea.

Para compreender esse fenômeno, os autores estudaram um modelo teórico de semimetal no ponto crítico em que o efeito Kondo é destruído. Esse modelo mostra que, mesmo sem quase-partículas bem definidas, ainda podem surgir cruzamentos topológicos nas bandas eletrônicas, criados pelas próprias flutuações quânticas do sistema.

“Em condições normais, o sistema CeRu_₄Sn_₆ exibe um entrelaçamento entre elétrons de condução e elétrons da camada 4f do cério – o chamado efeito Kondo. Mas, quando submetido a condições extremas de pressão, campo magnético e temperaturas próximas do zero absoluto, esse entrelaçamento se rompe e o material atinge um ponto crítico quântico, no qual as flutuações quânticas passam a dominar toda a dinâmica. É nesse limite que surge a nova fase topológica”, comenta Larrea.

Nesse cenário, os pesquisadores observaram que o CeRu_₄Sn_₆ apresenta um efeito Hall espontâneo – isto é, o aparecimento de uma voltagem transversal sem a aplicação de um campo magnético externo. Esse tipo de resposta é típico de semimetais de Weyl. No modelo teórico proposto no artigo, a equipe considerou um semimetal de Weyl-Kondo no limite de destruição de Kondo, quando as flutuações quânticas são tão intensas que dissolvem o fluido de férmions pesados. No entanto, ao invés de desmontar completamente a estrutura eletrônica, essas flutuações geraram novos tipos de cruzamentos topológicos.

Larrea ressalta que o cerne do estudo foi combinar interações e simetrias. “Nosso experimento forneceu a primeira demonstração empírica de um processo até então predominantemente teórico”, sintetiza.

Na região crítica, o quadro tradicional, de quase-partículas bem definidas e o parâmetro de ordem que define um estado termodinâmico, falha. O que o novo trabalho mostrou foi que, exatamente onde as bandas eletrônicas ficam “malcomportadas” e as excitações de baixas energias “substituem” o parâmetro de ordem, um estado topológico pode emergir. Não apesar da criticalidade quântica, mas como um produto direto dela.

Nos últimos anos, a topologia virou uma nova linguagem da física. Estados protegidos por simetrias topológicas são robustos contra perturbações e explicam fenômenos que antes pareciam desconectados. Esse caminho de investigação já foi contemplado com o Prêmio Nobel de Física em 2016, concedido a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz, “por descobertas teóricas de transições de fase topológicas e fases topológicas da matéria”.

Do ponto de vista experimental, pressões extremas, temperaturas da ordem do milikelvin, campos magnéticos intensos e materiais 2D permitem fabricar estados quânticos inéditos. Isso abre territórios antes inacessíveis à experimentação. E vem mostrando que há muito mais possibilidades de organização quântica da matéria do que se supunha, o que faz das fases exóticas um grande desafio conceitual e um caminho altamente promissor para novas tecnologias.

O novo estudo se insere nessa grande vertente. Foi apoiado pela FAPESP por meio de Auxílio a Jovem Pesquisador concedido a Larrea.

O artigo Emergent topological semimetal from quantum criticality pode ser lido em: nature.com/articles/s41567-025-03135-w.

Glossário

Férmions Pesados – Quase-partículas eletrônicas cujo movimento, devido ao efeito Kondo, corresponde ao de uma massa efetiva centenas de vezes maior que a massa do elétron livre.

Semimetal Topológico – Material cuja estrutura eletrônica apresenta pontos ou linhas de contato entre as bandas de valência e de condução, protegidos por propriedades topológicas e simetrias. Nesses materiais, os elétrons se comportam como quase-partículas relativísticas, levando a fenômenos incomuns, como alta mobilidade eletrônica, estados quânticos na superfície robustos etc.

Criticalidade Quântica / Ponto Crítico Quântico – Transição de fase contínua que ocorre na temperatura do zero Kelvin, impulsionada por flutuações quânticas, em torno da qual surgem estados eletrônicos não convencionais.

Quiralidade – Propriedade de um objeto que não pode ser sobreposto à sua imagem no espelho, como acontece com a mão direita e a esquerda.

Equação de Schrödinger – Fórmula matemática, proposta pelo físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) em 1926, que descreve a evolução de sistemas quânticos por meio de uma função de onda que contém toda a informação sobre como um elétron, átomo ou qualquer sistema microscópico muda no tempo, permitindo calcular probabilidades de posição, energia e outros observáveis.

Estados de Bloch – Funções de onda que descrevem as partículas (como os elétrons) em um ambiente com potencial periódico (como um cristal). São soluções da equação de Schrödinger nesse contexto e fundamentais para entender as propriedades eletrônicas em sólidos, como a formação de estruturas de banda.

Quase-partículas – Conceito introduzido pelo físico soviético Lev Davidovich Landau (1908-1968) que descreve as excitações coletivas que surgem quando muitos corpos interagem de modo organizado, fazendo o sistema comportar-se como se partículas efetivas existissem. As quase-partículas têm propriedades bem definidas (energia, momento etc.) e permitem descrever sistemas complexos (como líquidos quânticos e sólidos) com a simplicidade de um gás de partículas efetivas.

Efeito Kondo – Fenômeno descrito pelo físico japonês Jun Kondo (1930-2020), no qual a interação em baixas temperaturas entre elétrons de condução e momentos magnéticos localizados gera uma quase-partícula híbrida, muito massiva (férmions pesados).

Efeito Hall espontâneo – Geração de voltagem transversal sem aplicação de campo magnético externo.

Semimetal de Weyl – Estado eletrônico topológico em que pares de pontos de Weyl (cruzamentos lineares de bandas) dominam as propriedades de transporte, levando a respostas anômalas, como o efeito Hall espontâneo. Este estado topológico está protegido pela simetria quiralidade.

Semimetal Weyl-Kondo – Versão fortemente correlacionada do semimetal de Weyl, em que os nós topológicos emergem de um fluido de férmions pesados e são nucleados pela criticalidade quântica.

 

José Tadeu Arantes

Agência FAPESP
https://agencia.fapesp.br/flutuacoes-quanticas-fazem-emergir-um-novo-tipo-de-semimetal-topologico/56963