Nos últimos anos, alguns materiais tornaram-se campos de provas para físicos. Esses materiais não são exatamente feitos de nada de especial - partículas comuns, prótons, nêutrons e elétrons. Mas eles são mais do que apenas a soma de suas partes. Esses materiais têm toda uma gama de propriedades e fenômenos interessantes, e às vezes até levavam os físicos a novos estados da matéria - além do sólido, gasoso e líquido, que conhecemos desde a infância.
Um tipo de material com o qual os físicos estão particularmente preocupados é o isolante topológico - e, mais amplamente, as fases topológicas, cujas bases teóricas levaram seus inventores ao Prêmio Nobel em 2016. Na superfície de um isolante topológico, os elétrons fluem suavemente, mas por dentro permanecem imóveis. A superfície é como um condutor de metal e o interior é como um isolador de cerâmica. Os isolantes topológicos têm chamado a atenção por sua física extraordinária, bem como por suas aplicações potenciais em computadores quânticos e os chamados dispositivos spintrônicos que usam o spin dos elétrons e sua carga.
Esse comportamento exótico nem sempre é óbvio. “Você não pode simplesmente dizer isso, olhando para um material no sentido tradicional, tenha ou não esse tipo de propriedade”, diz Frank Wilczek, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e ganhador do Nobel de física em 2004.
O que mais é uma atmosfera quântica?
Acontece que muitos materiais aparentemente comuns podem conter propriedades ocultas, mas incomuns e, possivelmente, úteis. Em um artigo publicado recentemente, Wilchek e Kin-Dong Zhang, um físico da Universidade de Estocolmo, propôs uma nova maneira de explorar essas propriedades: estudando a aura sutil que envolve o material. Eles a chamaram de atmosfera quântica.
Essa atmosfera pode revelar algumas das propriedades quânticas fundamentais do material que os físicos podem então medir. Se confirmado por experimentos, esse fenômeno não será apenas uma das poucas manifestações macroscópicas da mecânica quântica, diz Wilczek, mas também se tornará uma ferramenta poderosa para a pesquisa de novos materiais.
“Se você me perguntasse se algo assim poderia acontecer, eu diria que a ideia faz sentido”, diz Taylor Hughes, um teórico da matéria condensada da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. E acrescenta: "Acho que o efeito será muito fraco." Em sua nova análise, no entanto, Zhang e Vilchek calcularam que, em princípio, o efeito atmosférico quântico estaria dentro da faixa detectável.
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Além disso, Wilchek observa, esses efeitos podem ser detectados muito em breve.
Área de impacto
A atmosfera quântica, Wilczek explica, é uma fina zona de influência em torno de um material. Conclui-se da mecânica quântica que o vácuo não é completamente vazio; está cheio de flutuações quânticas. Por exemplo, se você pegar duas placas descarregadas e colocá-las lado a lado no vácuo, apenas flutuações quânticas com comprimentos de onda menores do que a distância entre as placas podem se espremer entre elas. Mas do lado de fora, flutuações de todos os comprimentos de onda cairão sobre as placas. Haverá mais energia fora do que dentro, o que fará com que a força combinada aperte as placas uma contra a outra. Este é o efeito Casimir e é semelhante ao efeito da atmosfera quântica, diz Wilczek.
Assim como uma placa detecta uma força maior ao se aproximar de outra, uma sonda de agulha sentirá o efeito da atmosfera quântica ao se aproximar de um material. “É como uma atmosfera normal”, diz Wilchek. "Quanto mais perto você estiver, maior será o impacto." E a natureza desse impacto depende das propriedades quânticas do próprio material.
O antimônio pode atuar como isolante topológico - material que funciona como isolante em todos os lugares, exceto na superfície.
Essas propriedades podem ser muito diferentes. Alguns materiais atuam como universos separados com suas próprias leis físicas, como se estivessem no multiverso de materiais. “Uma ideia muito importante na física moderna da matéria condensada é que temos materiais à nossa disposição - digamos, isoladores topológicos - dentro dos quais opera um conjunto diferente de regras”, diz Peter Armitage, físico da matéria condensada da Universidade Johns Hopkins.
Alguns materiais atuam como monopólos magnéticos - ímãs pontuais com pólo norte, mas sem pólo sul. Os físicos também descobriram as chamadas quasipartículas e quasipartículas de carga elétrica fracionária, que agem como sua própria antimatéria e podem aniquilar.
Se propriedades exóticas semelhantes existissem em outros materiais, elas poderiam se revelar em atmosferas quânticas. Uma série de novas propriedades podem ser descobertas simplesmente sondando a atmosfera dos materiais, diz Wilchek.
Para demonstrar sua ideia, Zhang e Wilchek se concentraram em um conjunto incomum de regras - a eletrodinâmica axion - que pode levar a propriedades únicas. Wilchek propôs essa teoria em 1987 para demonstrar como uma partícula hipotética chamada axion poderia interagir com eletricidade e magnetismo. (Antes disso, os físicos propuseram um axião para resolver um dos maiores mistérios da física: por que as interações que envolvem uma força forte permanecem as mesmas se as partículas são substituídas por antipartículas e refletidas em um espelho, preservando a simetria de carga e paridade (simetria CP). Até aquele dia, ninguém havia encontrado nenhuma confirmação da existência de axions, embora não há muito tempo tenha havido um aumento do interesse por eles como candidatos à matéria escura.
Embora essas regras não funcionem na maioria dos lugares do universo, elas se manifestam dentro de um material - como um isolante topológico. “A forma como os campos eletromagnéticos interagem nessas novas substâncias, isolantes topológicos, é essencialmente a mesma como se eles estivessem interagindo com uma coleção de áxions”, diz Wilczek.
Defeitos em diamantes
Se um material como um isolante topológico obedece às leis da eletrodinâmica axional, sua atmosfera quântica pode reagir a qualquer coisa que o atravesse. Zhang e Vilchek calcularam que tal efeito seria semelhante à manifestação de um campo magnético. Em particular, eles descobriram que se você colocar um determinado sistema de átomos ou moléculas na atmosfera, seus níveis de energia quântica mudam. Os cientistas podem medir a mudança nesses níveis usando métodos de laboratório padrão. “É uma ideia incomum, mas interessante”, diz Armitage.
Um desses sistemas potenciais é uma sonda de diamante com as chamadas vacâncias substituídas por nitrogênio (centros NV). Um centro NV é um tipo de defeito na estrutura cristalina de um diamante, quando um átomo de carbono de um diamante é substituído por um átomo de nitrogênio, e um local próximo ao nitrogênio permanece vazio. O estado quântico de tal sistema é altamente sensível, o que permite que os centros NV detectem até os campos magnéticos mais fracos. Essa propriedade os torna sensores poderosos que podem ser usados para uma ampla variedade de propósitos em geologia e biologia.
O artigo de Zhang e Vilchek, que eles submeteram à Physical Review Letters, apenas descreve a influência atmosférica quântica derivada da eletrodinâmica axiônica. Para determinar quais outras propriedades afetam a atmosfera, Wilchek diz, outros cálculos precisam ser feitos.
Quebrando simetria
Em essência, as propriedades que as atmosferas quânticas revelam são representadas por simetrias. As várias fases de uma substância e as propriedades que correspondem a elas podem ser representadas na forma de simetrias. Em um cristal sólido, por exemplo, os átomos são dispostos em uma rede simétrica que se desloca ou gira para formar padrões de cristal idênticos. Quando você o aquece, as ligações se quebram, a estrutura da rede se desmorona, o material perde sua simetria e se torna líquido em certo sentido.
Os materiais podem quebrar outras simetrias fundamentais, como a simetria do tempo recíproco, que a maioria das leis da física obedece. Os fenômenos podem ser diferentes se você refleti-los em um espelho e quebrar a simetria de paridade.
Se essas simetrias podem ser quebradas no material, então poderíamos observar transições de fase previamente desconhecidas e propriedades potencialmente exóticas. Material com certa quebra de simetria causará a mesma quebra em uma sonda que passa pela atmosfera quântica, diz Wilczek. Por exemplo, em uma substância que segue a termodinâmica axiônica, as simetrias de tempo e paridade são quebradas, mas em combinação não são. Ao tocar a atmosfera do material, você pode descobrir se e em que medida ele quebra a simetria.
Wilchek diz que já discutiu a ideia com os experimentadores. Além disso, esses experimentos são bastante viáveis, mesmo não em anos, mas em semanas e meses.
Se tudo der certo, o termo "atmosfera quântica" terá um lugar permanente no léxico dos físicos. Anteriormente, Wilczek já havia cunhado termos como axions, ânions (quasipartículas que podem ser úteis para computação quântica) e cristais de tempo. Atmosferas quânticas também podem perdurar.
Ilya Khel
