Uma nova pesquisa conduzida por físicos da Universidade de Princeton está mergulhando com alta resolução no mundo complexo e fascinante da matéria quântica topológica – um ramo da física que estuda as propriedades quânticas inerentes de materiais que podem ser deformados, mas não intrinsecamente alterados. Ao repetir um experimento conduzido pela primeira vez por pesquisadores da Universidade de Kyoto, a equipe de Princeton esclareceu os principais aspectos do experimento original e, mais importante, chegou a conclusões novas e divergentes – conclusões que avançam nossa compreensão da questão topológica.
Conforme relatado em um artigo publicado na revista Nature Materials, os pesquisadores de Princeton usaram um tipo especial de isolante magnético realizado em cloreto de rutênio (α-RuCl3) para demonstrar o primeiro exemplo de um isolante magnético que exibe o efeito Hall térmico decorrente da borda quântica. modos de bósons na presença de um novo campo de força chamado curvatura de Berry.
Histórico do experimento
O experimento tem suas origens no trabalho do físico de Princeton e vencedor do Prêmio Nobel de 1977, Phil Anderson, que teorizou um novo estado da matéria chamado líquidos de spin. São classes de materiais magnéticos que, mesmo sob temperaturas extremamente baixas, não sofrem o que os físicos chamam de transição de fase magnética. Isso descreve uma transição abrupta para um estado no qual o spin em cada local da rede se alinha em um padrão perfeitamente paralelo, chamado ordem ferromagnética, ou alterna de maneira ordenada entre para cima e para baixo, chamado ordem antiferromagnética. Mais de noventa e nove por cento dos materiais magnéticos experimentam essa transição de fase quando resfriados a temperaturas suficientemente baixas. Anderson sugeriu o termo “frustração geométrica” para descrever como os líquidos de spin são impedidos de passar por tais transições de fase.
“Para ilustrar esse conceito, imagine tentar sentar casais em torno de uma mesa de jantar sob a regra de que toda mulher deve sentar-se entre dois homens e vice-versa”, disse N. Phuan Ong, o professor de física Eugene Higgins na Universidade de Princeton e o autor sênior do artigo. “Se temos um convidado que chega sozinho, esse arranjo é geometricamente impossível.”
Em 2006, o físico russo Alexei Kitaev, do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), propôs que o estado líquido de spin de Anderson poderia ser alcançado sem invocar o conceito de frustração geométrica de Anderson. Ele delineou isso em uma série de equações elegantes e, mais importante, previu a existência de novas partículas chamadas Majoranas e Visons. A partícula Majorana é uma partícula subatômica especialmente estranha e evasiva que foi teorizada pela primeira vez em 1937 pelo físico italiano Ettore Majorana. É um tipo de férmion; de fato, é o único férmion reconhecido como idêntico à sua própria antipartícula.
O trabalho de Kitaev desencadeou uma onda de pesquisas para encontrar materiais que pudessem realizar seus cálculos de modelo em laboratório. Dois anos depois, dois físicos, George Jackeli e Giniyat Khailyulin, do Instituto Max Planck em Stuttgart, Alemanha, previram que o cloreto de rutênio (α-RuCl3) seria o mais próximo. Este material, que cristaliza em uma rede de favo de mel, é um excelente isolante.
Consequentemente, na última década, o α-RuCl3 tornou-se um dos candidatos mais intensivamente investigados para líquidos de spin quântico. A pesquisa recebeu um impulso considerável em 2018, quando o físico Yuji Matsuda e seus colegas da Universidade de Kyoto relataram a observação do efeito Hall térmico “meio quantizado” previsto nos cálculos de Kitaev.
O efeito Hall térmico, que é análogo ao efeito Hall elétrico mais conhecido, descreve como um campo magnético intenso desvia lateralmente uma corrente de calor aplicada. A deflexão lateral gera uma fraca diferença de temperatura entre as duas bordas da amostra, que inverte o sinal se a direção do campo magnético for invertida. Embora o efeito Hall térmico esteja bem estabelecido em metais como cobre e gálio, é muito raramente observado em isoladores. Isso ocorre porque, em isoladores, uma corrente de calor é transmitida por vibrações de rede chamadas fônons que são indiferentes ao campo magnético, observou Ong.
Matsuda relatou que suas medições da condutividade térmica de Hall revelaram que ela era “meio quantizada”. A magnitude depende apenas da constante de Planck e da constante de Boltzmann, e nada mais, conforme previsto por Kitaev. “Esta experiência, envolvendo a observação de uma corrente de partículas de Majorana, atraiu um enorme interesse da comunidade.”
Mas Ong e sua equipe de pesquisa, há muito familiarizados com os experimentos térmicos do Hall, sentiram que havia algo errado com a conclusão de Matsuda. “Eu não conseguia identificar o que era”, disse Ong.
O experimento
Ong e seus colegas decidiram repetir o experimento. Mas desta vez, eles pretendiam conduzir o experimento em uma resolução mais alta e em um intervalo de temperatura muito maior – de meio grau Kelvin a dez graus Kelvin.
O alto nível de resolução foi fundamental para o sucesso do experimento, explicou Peter Czajka, principal autor do artigo e aluno de pós-graduação em física. “Nosso experimento é um grande exemplo de algo que é bastante simples conceitualmente, mas muito difícil na prática. É relativamente fácil medir a resistência elétrica de algo, mas medir a condutividade térmica de uma amostra é muito mais difícil.”
A primeira parte do experimento exigiu que os pesquisadores selecionassem uma amostra de cloreto de rutênio que tivesse várias características específicas, incluindo uma estrutura cristalina muito fina com uma forma hexagonal distinta. Eles então anexaram termômetros sensíveis para medir os gradientes de temperatura.
“Tudo o que realmente estamos fazendo é medir gradientes de temperatura muito pequenos em um cristal”, disse Czajka. “Mas, para fazer isso, precisamos de uma resolução de um milésimo a um milionésimo de grau – algo entre essa escala.”
Os pesquisadores resfriaram o material a temperaturas de um Kelvin ou menos e submeteram a amostra a um forte campo magnético, que foi aplicado paralelamente à corrente de calor. Eles então usaram um aquecedor elétrico para aquecer uma borda do cristal e mediram os gradientes de temperatura. O experimento – medições de gradientes de temperatura – exigiu, surpreendentemente, um período de vários meses.
“A amostra ficou fria por cerca de seis meses”, disse Czajka, “e durante esse tempo mapeamos minuciosamente a temperatura e a dependência do campo. Isso foi sem precedentes porque a maioria dos pesquisadores não está disposta a dedicar seis meses a um único experimento”.
A primeira coisa que os pesquisadores notaram, em uma descoberta paralela à de Matsuda, foi a presença do efeito Hall térmico. Os pesquisadores reconheceram isso quando os termômetros detectaram que o fluxo da corrente de calor era desviado para um lado ou outro, dependendo do campo magnético.
Para explicar isso, Ong usou a analogia de uma jangada descendo a corrente, com a corrente do rio simbolizando a corrente de calor e a jangada simbolizando um pacote de entropia de calor. “Embora você esteja indo com o fluxo do rio, você descobre que sua jangada está sendo empurrada para um lado do rio, digamos, a margem esquerda. E todas as jangadas que o seguem estão sendo empurradas da mesma forma para a margem esquerda”, ele disse. Isso leva a um ligeiro aumento na temperatura da margem esquerda.
O sinal também é sensível à direção do campo magnético, disse Ong. “Se você repetir o experimento com o campo magnético invertido na direção, encontrará todas as jangadas, que ainda estão indo rio abaixo, se acumulando na margem direita.”
Na grande maioria dos isoladores, esse efeito não ocorre. “As jangadas não vão se acumular nem no lado esquerdo nem no lado direito; elas vão apenas fluir rio abaixo”, disse Ong.
Mas nesses novos materiais topológicos o efeito é surpreendente. E a razão para isso se deve a um fenômeno conhecido como curvatura de Berry.
Em princípio, todos os materiais cristalinos exibem um campo de força interno chamado curvatura de Berry, em homenagem a Michael Berry, um físico matemático da Universidade de Bristol. A Curvatura Berry descreve como as funções de onda torcem e giram ao longo do espaço estendido pelo momento. Em materiais magnéticos e topológicos, a curvatura de Berry é finita. Atua tanto sobre partículas carregadas, como elétrons, quanto neutras, como fônons e spins, como um campo magnético intenso.
“A curvatura de Berry é um conceito que estava faltando nos últimos sessenta anos, mas agora veio à tona nos últimos cinco anos ou mais”, disse Ong. “É a Curvatura Berry que provamos neste artigo que é realmente a causa da observação experimental de Matsuda”.
Igualmente importante, os pesquisadores de Princeton não foram capazes de confirmar a presença do férmion de Majorana, como originalmente previsto no experimento de Matsuda. Em vez disso, os pesquisadores traçaram o efeito Hall térmico para outro tipo de partícula, um bóson.
Todas as partículas na natureza são férmions ou bósons. Os elétrons são férmions, enquanto partículas como fótons, fônons e glúons são bósons. Os bósons se originam das excitações coletivas semelhantes a ondas dos momentos magnéticos em campos magnéticos elevados. Ambos os tipos de partículas podem dar origem ao efeito Hall térmico se os materiais utilizados forem de natureza topológica.
“Em nosso estudo, demonstramos de forma bastante convincente que as partículas observadas são bósons em vez de férmions”, disse Ong. “Se o grupo de Kyoto estivesse correto – se as partículas fossem identificadas como férmions – o sinal seria independente da temperatura. Mas o sinal é, de fato, fortemente dependente da temperatura, e sua dependência da temperatura corresponde com muita precisão a um modelo quantitativo para topologia excitações de bósons.”
“Nosso experimento é o primeiro exemplo do que é chamado de material bosônico exibindo transporte de borda quântica”, acrescentou Ong.
Implicações e pesquisas futuras
Ong e sua equipe acreditam que sua pesquisa tem implicações robustas para a pesquisa de física fundamental.
“O que nosso experimento conseguiu – esclarecendo a presença de bósons em vez de férmions – foi abrir a porta para o uso do efeito Hall térmico da mesma forma que o Efeito Hall quântico foi usado para descobrir muitos novos estados quânticos”, disse Ong.
Ong também disse que as partículas descobertas em experimentos como este podem ter aplicações práticas para coisas como computação quântica topológica ou dispositivos quânticos, embora alcançar tais avanços provavelmente demore vinte ou mais anos. Ong e os membros de seu laboratório de pesquisa pretendem continuar suas pesquisas procurando por efeitos de Hall bosônicos semelhantes em materiais relacionados e estudar as possibilidades quânticas do cloreto de rutênio em detalhes ainda maiores. Os experimentos foram realizados em colaboração com cientistas do Oak Ridge National Laboratories, da Universidade do Tennessee, da Universidade de Tóquio e da Universidade de Purdue.
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