Mário Schenberg costumava dizer a seus alunos que era preciso “amar o elétron”. Não como um gesto romântico, mas como uma postura intelectual: aproximar-se dos fenômenos com respeito, cuidado e assombro, sabendo que nenhuma teoria é capaz de capturar a natureza por inteiro. Essa lembrança, resgatada pelo físico Ademir Santana em entrevista publicada no Boletim SBF em março de 2024, ganha um eco inesperado em um novo estudo sobre matéria quântica topológica.
É do que se trata o artigo científico “Emergent topological semimetal from quantum criticality”, publicado em 14 de janeiro na Nature Physics, com a participação de Julio Larrea Jiménez, Professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP). No estudo, os elétrons deixam de se comportar como a física aprendeu a descrevê-los e, justamente nesse colapso conceitual, uma nova ordem da matéria emerge.
“O trabalho amplia o repertório de fases exóticas da matéria e sugere que pontos críticos quânticos (QCP) podem funcionar como ‘berçários’ de estados topológicos fortemente correlacionados”, diz o físico, em reportagem de José Tadeu Arantes publicada em janeiro pela Agência Fapesp.
Durante décadas, a física do estado sólido explicou o comportamento eletrônico nos metais por meio das quasepartículas: entidades emergentes que não são partículas fundamentais, mas funcionam como representações coletivas de elétrons fortemente interagentes. Elas carregam carga, spin e energia de maneira organizada, permitindo que sistemas complexos pareçam simples. É uma lente poderosa, mas limitada. O estudo do qual participou Larrea, que também é cofundador e chefe do Laboratory for Quantum Matter under Extreme Conditions (LQMEC) do IFUSP, agora mostra que, quando essa lente deixa de funcionar, a matéria não entra no caos: ela pode revelar uma fase topológica inédita.
Os autores investigaram o composto CeRu₄Sn₆, um material de férmions pesados que já nasce em um estado de criticalidade quântica, uma condição extrema em que flutuações quânticas dominam o comportamento do sistema, mesmo a temperaturas próximas do zero absoluto. Ao variar pressão e campo magnético, os pesquisadores observaram o surgimento de uma fase de semimetal Weyl–Kondo, desenhando um domo no diagrama de fases, de forma análoga ao que ocorre com a supercondutividade não convencional em outros materiais fortemente correlacionados.
Nos semimetais de Weyl convencionais, elétrons se comportam como partículas relativísticas sem massa, cruzando-se em pontos protegidos por simetrias não cristalinas. O que torna o caso do CeRu₄Sn₆ singular é que esses cruzamentos topológicos não dependem da existência de quasepartículas bem definidas. Eles aparecem como estruturas na função espectral, uma descrição mais fundamental dos estados eletrônicos. A topologia, nesse caso, não é sustentada por partículas bem-comportadas, mas por um pano de fundo coletivo, instável e crítico.
Para compreender esse cenário, os autores analisaram um modelo teórico de semimetal Weyl–Kondo exatamente em um ponto crítico de destruição do efeito Kondo, no qual elétrons localizados deixam de se hibridizar com elétrons itinerantes. O resultado é um estado metálico exótico, sem descrição fermiônica padrão, mas ainda capaz de sustentar cruzamentos topológicos protegidos por simetria. É como se a matéria encontrasse uma nova forma de organização quando seus ordenamentos tradicionais deixam de fazer sentido.
Esse resultado sugere uma mudança importante na forma de buscar novas fases topológicas. Até agora, o caminho principal passava por cálculos ab initio extremamente complexos e por técnicas experimentais de altíssima resolução, limitadas pelas bandas estreitas típicas dos férmions pesados. O estudo propõe uma rota alternativa: transições de fase quânticas podem atuar como berços naturais de topologia emergente.
Assim como a supercondutividade não convencional surge liberando a entropia acumulada em um ponto crítico quântico, a topologia pode emergir como resposta coletiva à mesma instabilidade. O CeRu₄Sn₆ talvez seja apenas o primeiro exemplo claro de um princípio mais geral: quando a matéria entra em criticalidade quântica, novas ordens podem nascer, mesmo quando o elétron, tal como o conhecemos, deixa de existir. Amar o elétron, nesse contexto, é aceitar que ele ainda tem muito a nos surpreender!
(SBF)
