Em um estudo publicado em Relatórios Científicos , um grupo de pesquisadores filiados à Universidade Estadual Paulista (UNESP) no Brasil descreve uma importante descoberta teórica que pode contribuir para o desenvolvimento da computação quântica e da spintrônica (spin eletrônica), uma tecnologia emergente que usa spin do elétron ou momento angular em vez de carga do elétron para construir mais rápido, dispositivos mais eficientes.

O estudo foi financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP. Seu principal investigador foi Antonio Carlos Seridonio, professora do Departamento de Física e Química da UNESP de Ilha Solteira, Estado de São Paulo. Seus alunos de pós-graduação Yuri Marques, Willian Mizobata e Renan Oliveira também participaram.

Os pesquisadores observaram que moléculas com capacidade de codificar informações são produzidas em sistemas chamados de semimetais de Weyl quando a simetria da reversão do tempo é quebrada.

Esses sistemas podem ser considerados versões tridimensionais do grafeno e estão associados a tipos muito peculiares de objetos chamados férmions de Weyl. Estes não têm massa, quase relativista, partículas quirais - quase relativísticas porque se movem de forma semelhante aos fótons (as "partículas" fundamentais da luz) e se comportam como se fossem relativísticas, contraindo espaço e dilatando o tempo.

O termo "quiral" se aplica a um objeto que não pode ser sobreposto à sua imagem no espelho. Uma esfera é aquiral, mas nossas mãos esquerda e direita são quirais. No caso dos férmions de Weyl, a quiralidade faz com que se comportem como monopólos magnéticos, ao contrário de todos os objetos magnéticos do mundo trivial, que se comportam como dipolos.

Os férmions de Weyl foram propostos em 1929 por matemático alemão, o físico e filósofo Hermann Weyl (1885-1955) como uma possível solução para a equação de Dirac. Formulado pelo físico teórico britânico Paul Dirac (1902-1984), esta equação combina princípios da mecânica quântica e da relatividade especial para descrever o comportamento dos elétrons, quarks e outros objetos.

Os férmions de Weyl são entidades hipotéticas e nunca foram observados livremente na natureza, mas estudos realizados em 2015 mostraram que eles podem ser a base para explicar certos fenômenos.

Semelhante aos férmions de Majorana, que também resolve a equação de Dirac, Os férmions de Weyl se manifestam como quase-partículas em sistemas moleculares de matéria condensada.

Este campo, em que a física de alta energia e a física da matéria condensada convergem, mobilizou grandes esforços de pesquisa, não apenas por causa das oportunidades que oferece para o desenvolvimento da ciência básica, mas também porque as peculiaridades dessas quase-partículas podem um dia ser usadas na computação quântica para codificar informações.

O novo estudo realizado na UNESP Ilha Solteira avançou nessa direção. "Nosso estudo teórico se concentrou em moléculas compostas de átomos amplamente separados. Essas moléculas não seriam viáveis ​​fora do contexto de Weyl porque a distância entre os átomos os impede de formar ligações covalentes e, portanto, de compartilhar elétrons. Demonstramos que a quiralidade do espalhamento de elétrons em semimetais de Weyl leva à formação de ligações químicas magnéticas, "Seridonio contou.

Exemplos de semimetais Weyl incluem arsenieto de tântalo (TaAs), arsenieto de nióbio (NbAs) e fosfeto de tântalo (TaP).

“Nestes materiais, Os férmions de Weyl desempenham um papel análogo ao dos elétrons no grafeno. Contudo, o grafeno é um sistema quase 2-D, considerando que esses materiais são totalmente 3-D, "Disse Seridonio.

O estudo teórico mostrou que os férmions de Weyl nesses sistemas aparecem como divisões nos férmions de Dirac, uma categoria que compreende todas as partículas materiais do chamado Modelo Padrão, com a possível exceção de neutrinos.

Essas divisões ocorrem em pontos onde a banda de condução (o espaço no qual os elétrons livres circulam) toca a banda de valência (a camada mais externa de elétrons nos átomos).

"Uma quebra na simetria mostra este ponto, o nó Dirac, dividido em um par de nós de Weyl com quiralidades opostas. Em nosso estudo, quebramos a simetria da reversão do tempo, "Disse Seridonio.

A simetria da reversão do tempo significa essencialmente que um sistema permanece o mesmo se o fluxo do tempo for invertido. "Quando essa simetria é quebrada, a molécula resultante tem orbitais spin-polarizados. "

Em sistemas moleculares usuais, elétrons de spin-up e elétrons de spin-down são uniformemente distribuídos na nuvem de elétrons. Este não é o caso dos sistemas Weyl.

"O resultado é uma molécula em que as nuvens de elétrons de spin-up e spin-down são espacialmente diferentes. Essa peculiaridade pode ser usada para codificar informações porque a molécula pode ser associada ao sistema binário, que é o bit ou unidade básica de informação, "Disse Seridonio.