Físicos da Universidade de Illinois e do Laboratório Nacional de Los Alamos, ambas localidades nos Estados Unidos, identificaram o que seria um novo estado da matéria em que a ordem estrutural opera por regras mais alinhadas com a mecânica quântica do que com a teoria termodinâmica padrão.

Se trata do material clássico artificial chamado “spin ice”. Ele parece desordenado, mas está realmente ordenado, só que de forma “topológica”.

Implicações

A topologia é a área da matemática que descreve as propriedades que não mudam quando uma forma é alterada de modo gradual. Os cientistas geralmente classificam as fases da matéria como “ordenadas”, como o cristal, e“desordenadas”. ou ainda como gases.

“Nossa pesquisa mostra pela primeira vez que sistemas clássicos como o “spin ice” artificial podem ser projetados para demonstrar fases ordenadas topologicamente, que anteriormente só foram encontradas em condições quânticas”, disse o físico Cristiano Nisoli, do Laboratório Nacional de Los Alamos.

“A demonstração de que esses efeitos topológicos podem, por sua vez, ser projetados em um sistema artificial de ”spin ice” abre as portas para uma ampla gama de possíveis novos estudos”, disse Peter Schiffer, principal autor do estudo, que na época estava na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e agora está na Universidade Yale.

O experimento

Nessa nova pesquisa, a equipe explorou uma geometria específica do ”spin ice” artificial, chamada “Shakti spin ice”.

Usando do artifício de microscopia eletrônica fotoenergética, a equipe de Schiffer revelou algo digamos que intrigante: ao contrário de outros ”spin ice” artificiais, que poderiam atingir seu estado de baixa energia à medida que a temperatura era reduzida em quedas sucessivas, o Shakti teimosamente permaneceu no mesmo nível de energia. Incrível, não é mesmo?

“O sistema fica preso de uma maneira que não pode se reorganizar, mesmo que um rearranjo em grande escala permita que ele caia para um estado de energia mais baixo”, disse Schiffer.

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

A teoria de um novo estado da matéria

Ao invés de um estudo comum que vai da teoria à prática, para entender o que estava acontecendo, os pesquisadores passaram dos experimentos para a própria teoria.

Nisoli descreveu um estado de baixa energia que poderia ser mapeado em um célebre modelo teórico, o “modelo de cobertura de dímero”, em que as propriedades topológicas já eram reconhecidas.

Logo depois, os dados do experimento confirmaram a conservação da carga topológica. “Acho isso muito intrigante, porque geralmente os referenciais teóricos passam da física clássica para a física quântica. Não é assim com a ordem topológica”, afirmou.

Um artigo sobre o estudo foi publicado na revista Nature Physics.

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