Os físicos identificaram um novo estado da matéria cuja ordem estrutural opera por regras mais alinhadas com a mecânica quântica do que a teoria termodinâmica padrão. Em um material clássico chamado gelo de spin artificial, que em certas fases parece desordenado, o material é realmente pedido, mas em uma forma "topológica".

"Nossa pesquisa mostra pela primeira vez que sistemas clássicos, como gelo artificial de spin, podem ser projetados para demonstrar fases topológicas ordenadas, que anteriormente eram encontrados apenas em condições quânticas, "disse o físico do Laboratório Nacional de Los Alamos, Cristiano Nisoli, líder do grupo teórico que colaborou com um grupo experimental da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, liderado por Peter Schiffer (agora na Universidade de Yale).

Os físicos geralmente classificam as fases da matéria como ordenadas, como cristal, e desordenado, como gases, e eles fazem isso com base na simetria de tal ordem, Disse Nisoli.

"A demonstração de que esses efeitos topológicos podem ser projetados em um sistema de gelo artificial abre a porta para uma ampla gama de novos estudos possíveis, "Schiffer disse.

O material especializado manteve níveis de energia intrigantes em experimentos

Na nova pesquisa, a equipe explorou uma geometria de gelo artificial especial, chamado gelo de rotação Shakti. Embora esses materiais sejam teoricamente projetados, desta vez, a descoberta de seu exótico, propriedades fora de equilíbrio passaram de experimentos para teoria.

Realizando a caracterização de microscopia eletrônica de fotoemissão na Fonte de Luz Avançada do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, A equipe de Schiffer revelou algo intrigante:ao contrário de outros gelos artificiais, que poderia atingir seu estado de baixa energia à medida que a temperatura fosse reduzida em sucessivas extinções, Shakti girar o gelo teimosamente permaneceu no mesmo nível de energia. "O sistema fica preso de uma forma que não consegue se reorganizar, mesmo que um rearranjo em grande escala permita que ele caia para um estado de energia inferior, "Schiffer disse.

Claramente, algo estava sendo conservado, mas nada parecia um candidato óbvio em um material artificialmente concebido para fornecer uma imagem de spin desordenada.

Recuando para ver o quadro geral

Afastando-se de uma imagem de spin e concentrando-se em uma descrição emergente das excitações do sistema, Nisoli descreveu um estado de baixa energia que poderia ser mapeado exatamente em um modelo teórico famoso, o "modelo de cobertura de dímero, "cujas propriedades topológicas foram reconhecidas antes. Então, os dados do experimento confirmaram a conservação da carga topológica e, portanto, um longo tempo de vida para as excitações.

"Acho mais intrigante porque geralmente as estruturas teóricas vão da física clássica para a física quântica. Não é assim com a ordem topológica, "Nisoli disse.

Sucesso colaborativo

Os experimentos físicos foram realizados pela equipe de Schiffer na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e foram financiados pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA. A cinética do material foi investigada em tempo real e espaço real na Fonte de Luz Avançada.