Nas ciências físicas, certas quantidades aparecem como múltiplos inteiros de elementos fundamentais e indivisíveis. Esta quantização de quantidades físicas, que está no cerne da nossa descrição da natureza, fez seu caminho através dos séculos, como evidenciado pelo conceito antigo do átomo. Mais importante, a descoberta de quantidades quantizadas tem sido frequentemente associada a uma revolução em nossa compreensão e apreciação da lei da natureza, um exemplo marcante é a quantização da luz em termos de fótons, que levou à nossa descrição contemporânea (mecânica quântica) do mundo microscópico.

Uma equipe internacional liderada pelo Prof. Nathan Goldman, Faculdade de Ciência, Université libre de Bruxelles, prevê uma nova forma de lei de quantização, que envolve um tipo distinto de observável físico:a taxa de aquecimento de um sistema quântico após agitação externa. Para entender este conceito, vamos primeiro considerar uma imagem análoga mais simples:quando um cubo de gelo é colocado em um forno de micro-ondas, o último excita as moléculas de água, conseqüentemente levando a um derretimento progressivo do gelo; durante este processo de aquecimento, o número de moléculas que formam o gelo diminui com o tempo, um processo que pode ser quantificado por uma taxa de aquecimento. No presente artigo, os autores demonstram como, sob circunstâncias específicas, tais taxas de aquecimento devem satisfazer uma lei de quantização elegante e precisa. Especificamente, os autores explicam que este fenômeno ocorre quando um sistema físico, que inicialmente forma um estado exótico da matéria (uma fase topológica), é aquecido de forma controlada; ao aquecer, as partículas são ejetadas da fase topológica (em analogia direta com o derretimento do gelo descrito acima) e a taxa de aquecimento correspondente é mostrada para satisfazer a lei de quantização acima mencionada.

Um aspecto crucial desta nova lei de quantização é que ela é ditada pela natureza topológica da fase inicial do sistema, em analogia direta com a quantização da condutância em sólidos. Para entender essa analogia, lembramos que a condutância, que determina a eficiência com a qual as correntes elétricas são geradas em um material, pode ser quantizado em termos de um "quantum de condutância"; esta é a assinatura do efeito Hall quântico, que foi comemorado por dois prêmios Nobel, em 1985 e em 1998. Surpreendentemente, esta quantização da condutância mostrou estar profundamente ligada a um conceito matemático fundamental:topologia. Resumidamente, topologia visa classificar objetos geométricos de acordo com suas características mais elementares, por exemplo, seu número de furos ou enrolamento. Esta elegante relação entre a quantização física da condutância e o conceito abstrato de topologia abriu a porta para a exploração de uma ampla família de estados exóticos da matéria, as chamadas fases topológicas, cuja descoberta foi recentemente homenageada com o Prêmio Nobel de Física 2016. A descoberta relatada pela equipe internacional liderada pelo Prof. Goldman, portanto, oferece uma nova perspectiva sobre as ligações intrigantes entre as leis de quantização em física e topologia.

Além da elegância desta nova lei de quantização para taxas de aquecimento, esta descoberta tem um corolário importante:aquecer um sistema quântico pode ser usado como uma sonda universal para estados exóticos da matéria. Os autores propõem uma plataforma física que é particularmente adequada para sua realização experimental:um gás ultracold de átomos aprisionados em uma rede óptica (uma paisagem periódica criada pela luz). Essas configurações são conhecidas por constituir uma caixa de ferramentas ideal para a engenharia quântica de matéria topológica, mas também, para a implementação de novos tipos de medições. Na prática, o experimento proposto consistiria na preparação de uma fase topológica, carregando um gás ultracold em uma rede óptica, e em subsequentemente sacudir esta rede de uma maneira circular; as taxas de aquecimento resultantes seriam então extraídas medindo o número de átomos que permaneceram na fase topológica após um certo período de agitação.