Los Alamos National Laboratory
Físicos da Universidade de Illinois e do Laboratório Nacional de Los Alamos, nos EUA, identificaram um novo estado da matéria cuja ordem estrutural opera por regras mais alinhadas com a mecânica quântica do que com a teoria termodinâmica padrão.
Trata-se do material clássico artificial chamado spin ice: em certas fases, parece desordenado mas, na verdade, está ordenado apenas de forma “topológica”.
A topologia é o ramo da matemática que descreve as propriedades que não mudam quando uma forma é alterada de modo gradual. Os cientistas geralmente classificam as fases da matéria como “ordenadas”, como o cristal, e “desordenadas”, como os gases.
“A nossa pesquisa mostra pela primeira vez que sistemas clássicos como o spin ice artificial podem ser projetados para demonstrar fases ordenadas topologicamente, que anteriormente só foram encontradas em condições quânticas”, disse o físico Cristiano Nisoli, do Laboratório Nacional de Los Alamos.
“A demonstração de que esses efeitos topológicos podem ser projetados num sistema artificial de spin ice abre as portas para uma ampla gama de possíveis novos estudos”, disse Peter Schiffer, principal autor do estudo, que na época estava na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, e agora está na Universidade Yale.
Na nova pesquisa, publicada na segunda-feira na revista Nature Physics, a equipa explorou uma geometria específica do spin ice artificial, chamada “Shakti spin ice”.
Usando microscopia eletrónica fotoenergética, a equipa de Schiffer revelou algo intrigante: ao contrário de outros spin ice artificiais, que poderiam atingir o seu estado de baixa energia à medida que a temperatura era reduzida em quedas sucessivas, o Shakti teimosamente permaneceu no mesmo nível de energia.
“O sistema fica preso de uma maneira que não se pode reorganizar, mesmo que um rearranjo em grande escala permita que caia para um estado de energia mais baixo”, explicou Schiffer.
Claramente, algo estava a ser conservado, mas nada aparecia como um candidato óbvio num material artificialmente concebido para fornecer uma imagem desordenada de spin.
Em vez de um estudo comum que vai da teoria à prática, para entender o que estava a acontecer, os cientistas passaram das experiências à teoria.
Nisoli descreveu um estado de baixa energia que poderia ser mapeado num célebre modelo teórico, o “modelo de cobertura de dímero”, cujas propriedades topológicas já foram reconhecidas.
Em seguida, os dados da experiência confirmaram a conservação da carga topológica. “Acho isso muito intrigante, porque geralmente os referenciais teóricos passam da física clássica para a física quântica. Mas não funciona assim com a ordem topológica”, afirmou.
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