Nos últimos anos, físicos em todo o mundo têm conduzido estudos explorando as características e a dinâmica das fases topológicas da matéria que poderiam permitir o desenvolvimento de dispositivos quânticos e outras novas tecnologias. Algumas dessas fases são apoiadas pelo que é conhecido como simetria de reversão do tempo (TRS) das leis microscópicas da natureza.

Pesquisadores da Universidade de Cambridge demonstraram recentemente que algumas fases topológicas protegidas por TRS são fundamentalmente instáveis ​​contra o acoplamento ao ambiente circundante. Suas descobertas, descrito em um artigo publicado em Física da Natureza , destacam uma série de desafios que podem ser associados ao uso de sistemas topológicos para o desenvolvimento de tecnologias quânticas.

"Estamos interessados ​​em certas fases da matéria conhecidas como fases topológicas, que têm atraído muita atenção recentemente por causa de suas aplicações propostas em tecnologias baseadas em quantum, "Max McGinley, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Em particular, acredita-se que algumas fases topológicas sejam capazes de armazenar informações quânticas de uma forma que seja naturalmente robusta a quaisquer imperfeições que inevitavelmente surjam em experimentos, tornando-os potencialmente úteis para a computação quântica. "

A maioria dos argumentos teóricos existentes que justificam a robustez das fases topológicas ao ruído experimental não consideram o fato de que em implementações reais, esses sistemas podem interagir com seus arredores de maneiras inesperadas. Com isso em mente, McGinley e seu colega Nigel R. Cooper começaram a investigar se os sistemas topológicos ainda funcionam bem quando são usados ​​para desenvolver dispositivos de memória quântica e na presença de efeitos "ambientais" externos. Suas descobertas iniciais apontam para um princípio geral que pode ser aplicado a todas as fases topológicas, em vez de especificamente para aqueles que permitem o armazenamento de informações quânticas.

"Mostramos que há uma certa classe de fases topológicas (conhecidas como fases topológicas protegidas por simetria de reversão do tempo) que se tornam instáveis ​​quando interagem com o ambiente ao seu redor e, portanto, não podem ser utilizadas no mundo real, "McGinley disse." Muito da nossa análise foi baseada nos efeitos das simetrias na mecânica quântica, que são centrais para a teoria das fases topológicas. "

As simetrias limitam naturalmente os processos que podem ou não ocorrer em sistemas físicos. Em sistemas topológicos, por exemplo, uma determinada simetria pode evitar que as informações quânticas sejam perdidas.

Os tipos mais convencionais de simetrias existentes na natureza são aqueles relacionados às coordenadas espaciais. Por exemplo, um quadrado tem uma simetria sob uma rotação de 90 graus em torno de seu centro. TRS é um tipo mais sutil de simetria que surge dentro da descrição física de um sistema dinâmico. Essencialmente, TRS significa que em um sistema físico, as leis da física parecem as mesmas quando o tempo está avançando e retrocedendo.

"Estranhamente, esta simetria não se reflete nos grandes objetos que encontramos em nossas vidas diárias (ou seja, sistemas compostos de muitas partículas microscópicas), "McGinley explicou." Por exemplo, uma xícara de café quente vai esfriar com o tempo, mas uma xícara de café frio não aquece espontaneamente. Percebemos que essa disparidade entre as simetrias das leis fundamentais da natureza e as simetrias de sistemas complexos de muitas partículas (como uma xícara de café) também aparece em sistemas topológicos. As fases topológicas que dependem de simetria de reversão de tempo são aquelas que são instáveis ​​exatamente pelas mesmas razões. "

O estudo destaca as possíveis limitações do uso de sistemas topológicos protegidos por TRS para desenvolver tecnologias quânticas. Mais especificamente, os pesquisadores observaram que algumas fases topológicas são muito menos robustas ao ruído ambiental do que as teorias existentes prevêem.

"Um pessimista pode ver isso como uma má notícia para o campo, "McGinley disse." No entanto, nossa visão é que nossos resultados podem ajudar aqueles que trabalham para colocar os sistemas topológicos em prática. Tendo identificado quais fases topológicas são instáveis, a atenção futura pode ser focada naqueles que podem, em princípio, ser protegido desses efeitos ambientais adversos. "

O novo princípio se aplica a todas as fases topológicas, mas os pesquisadores até agora investigaram principalmente no contexto de memórias quânticas ou outra tecnologia quântica. Em seus próximos estudos, eles planejam testar e estudar o mesmo princípio em relação a outras aplicações.

"Por exemplo, espera-se que algumas fases topológicas tenham propriedades de condutância elétrica interessantes, mas os experimentos não mostram a mesma robustez que seria de esperar com base nas teorias atuais, "McGinley disse." Talvez as idéias que descobrimos aqui possam ser usadas para explicar alguns aspectos desses experimentos. "

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