À medida que os físicos se aprofundam no reino quântico, eles estão descobrindo um mundo infinitesimalmente pequeno composto de uma estranha e surpreendente variedade de links, nós e enrolamentos. Alguns materiais quânticos exibem redemoinhos magnéticos chamados skyrmions — configurações únicas descritas como "furacões subatômicos". Outros hospedam uma forma de supercondutividade que se transforma em vórtices.
Agora, em um artigo publicado na Nature uma equipe de físicos liderada por Princeton descobriu que os elétrons na matéria quântica podem se ligar uns aos outros de maneiras novas e estranhas. O trabalho reúne ideias em três áreas da ciência – física da matéria condensada, topologia e teoria dos nós – de uma nova maneira, levantando questões inesperadas sobre as propriedades quânticas dos sistemas eletrônicos.

A topologia é o ramo da matemática teórica que estuda as propriedades geométricas que podem ser deformadas, mas não intrinsecamente alteradas. Os estados quânticos topológicos chamaram a atenção do público pela primeira vez em 2016, quando três cientistas, incluindo Duncan Haldane, professor de física matemática Thomas D. Jones de Princeton e professor de física da Universidade Sherman Fairchild, receberam o Prêmio Nobel por sua previsão teórica da topologia em materiais eletrônicos.

Desde então, os pesquisadores têm procurado expandir essa área de pesquisa para criar uma compreensão mais profunda da mecânica quântica, como no campo da "topologia quântica", que busca explicar o estado de um elétron conforme descrito por uma propriedade chamada função de onda. Este foi o catalisador que levou à pesquisa atual, disse M. Zahid Hasan, professor de física Eugene Higgins na Universidade de Princeton e autor sênior do estudo.

"Estamos estudando propriedades relacionadas à forma das funções de onda dos elétrons", disse Hasan. "E agora levamos o campo para uma nova fronteira."

O bloco de construção essencial dessa nova fronteira é uma estrutura mecânica quântica conhecida como loop de Weyl, que envolve o enrolamento de funções de onda de elétrons sem massa em um cristal. Em trabalho inovador anterior, publicado em Science em 2019, as alças de Weyl sem massa foram descobertas em um composto composto de cobalto, manganês e gálio, com fórmula química Co₂ MnGa. Esta pesquisa foi liderada por Hasan e incluiu muitos dos autores do novo estudo. Naquela época, eles entenderam que os loops de Weyl sem massa produzem comportamentos exóticos sob campos elétricos e magnéticos aplicados. Esses comportamentos persistiram até a temperatura ambiente.

Por si só, um loop de Weyl é um exemplo do tipo de enrolamento de função de onda quântica que já é bem conhecido. "Exemplos anteriores de topologia na física geralmente envolviam o enrolamento de funções de onda da mecânica quântica", disse Hasan, que liderou a pesquisa atual. "Estes têm sido o foco da comunidade de física pelo menos na última década." Essas ideias são derivadas dos trabalhos anteriores da equipe sobre cristais feitos de ródio e silício (RhSi), bem como materiais chamados ímãs de Chern feitos dos elementos térbio, magnésio e estanho (TbMn₆ Sn₆ ). Ambas as descobertas foram lideradas pelo grupo do professor Hasan e relatadas na Nature em 2019 e depois na Natureza em 2020.

No entanto, o caso de Co₂ O MnGa revelou-se diferente do enrolamento de função de onda considerado nas teorias topológicas convencionais. “Aqui, em vez disso, temos laços vinculados – nossa topologia com nós recém-descoberta é de natureza diferente e dá origem a diferentes números matemáticos de ligação”, disse Tyler Cochran, estudante de pós-graduação do Departamento de Física de Princeton e coautor do novo estudo.

O Co₂ Os materiais de MnGa foram cultivados pela professora Claudia Felser e sua equipe no Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos na Alemanha.

Um insight essencial veio quando a equipe de Princeton calculou e entendeu que certos materiais quânticos, como Co₂ O MnGa pode hospedar vários loops de Weyl ao mesmo tempo. “Quando vários laços de Weyl coexistem, torna-se natural perguntar se eles podem se conectar e dar nós de certas maneiras”, disse Hasan.

Essa percepção da equipe de Hasan provocou questões fundamentais sobre laços de Weyl vinculados e reuniu uma equipe de especialistas de todo o mundo em espectroscopia de fotoemissão, topologia matemática, síntese de materiais quânticos e cálculos quânticos de primeiros princípios para entender mais profundamente a topologia de links e nós na matéria quântica .

Para observar o link experimentalmente, a equipe internacional colaborou por mais de cinco anos para expandir seus trabalhos anteriores sobre ímãs topológicos. A equipe realizou experimentos avançados de espectroscopia de fotoemissão em instalações de radiação síncrotron de ponta nos Estados Unidos, Suíça, Japão e Suécia.

"Acabou sendo um quebra-cabeça fascinante que nos manteve viciados por um tempo", disse Ilya Belopolski, principal autor do estudo, ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Hasan na Universidade de Princeton e agora pesquisador de pós-doutorado no RIKEN Center for Emergent Matter Ciência perto de Tóquio, Japão. “Desvendar os meandros desta elaborada estrutura quântica ligada exigiu mais de três anos de medições de alta precisão e ultra-alta resolução nas principais instalações espectroscópicas do mundo”.

A análise dos dados experimentais revelou um objeto contra-intuitivo dobrado sobre si mesmo e envolvendo um toro de dimensão superior. “Entender a estrutura do objeto exigia uma nova ponte entre a mecânica quântica, a topologia matemática e a teoria dos nós”, disse Guoqing Chang, autor do estudo que agora é professor assistente de física na Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura. Enquanto ex-pesquisador de pós-doutorado trabalhando com Hasan em Princeton, Chang liderou um dos primeiros estudos teóricos de topologia de link em 2017 em um trabalho pioneiro em Physical Review Letters .

De fato, a equipe de pesquisa descobriu que a teoria quântica existente dos materiais era incapaz de explicar adequadamente o surgimento dessa estrutura. Mas a teoria dos nós, eles reconheceram, pode conter algumas pistas.

"Nós percebemos que alguns aspectos da teoria dos nós são muito poderosos para explicar propriedades quânticas de materiais topológicos que não eram compreendidos antes", disse Hasan. "Este é o primeiro exemplo que conhecemos de onde a teoria dos nós foi aplicada para entender o comportamento dos ímãs topológicos. E isso é muito emocionante."

As descobertas continuam e estendem a conversa de décadas entre física e topologia, desta vez trazendo novas ideias matemáticas para explicar experimentos em ferroímãs quânticos. "Historicamente, algumas das descobertas científicas mais importantes surgiram quando os humanos notaram novas conexões entre matemática e fenômenos naturais. É sempre emocionante encontrar exemplos inesperados de matemática sutil em nossos experimentos", disse Hasan. “Ainda mais, foi interessante que a conexão matemática estivesse no campo da topologia, que continuou a surgir repetidamente em diferentes formas no estudo de materiais quânticos”.

Os pesquisadores pretendem expandir suas pesquisas em múltiplas direções. Embora Hasan e sua equipe tenham focado seus esforços no comportamento de ímãs topológicos, eles afirmam que a teoria tem o potencial de ajudar a explicar outros comportamentos quânticos. "Acreditamos que a teoria dos nós também pode ser aplicada a muitos outros condutores topológicos, supercondutores, qubits e muitas outras coisas", disse ele.

E embora os pesquisadores não estivessem pensando em aplicações práticas - "Estávamos envolvidos em pesquisas fundamentais", enfatizou Hasan - seus insights podem ajudar no desenvolvimento da computação quântica, especialmente no desenvolvimento de novos tipos de qubits topológicos. + Explorar mais

Progresso e perspectivas em materiais topológicos magnéticos