O comportamento incomum de elétrons em determinados materiais quânticos pode abrir caminho para uma nova geração de tecnologias, incluindo computação quântica e sensores de altíssima precisão. A partir desse pressuposto, pesquisadores da Universidade de São Paulo e colaboradores internacionais buscaram desvendar a origem de oscilações quânticas anômalas observadas no pentatelureto de zircônio (ZrTe₅), um dos materiais topológicos mais estudados da atualidade.
Os resultados foram apresentados no artigo “Níveis de Landau reentrantes em um isolante topológico de Dirac”, publicado em maio de 2026 na Nature Communications e assinado, entre outros autores, pelo professor Julio Antonio Larrea Jiménez, chefe do Laboratório de Matéria Quântica em Condições Extremas (LQMEC) do Instituto de Física da USP, e por seu ex-aluno Cauê Kaufmann Ribeiro, doutor pela USP e atualmente pesquisador de pós-doutorado no Los Alamos National Laboratory, nos Estados Unidos.
De acordo com os pesquisadores, que foram entrevistados pela Sociedade Brasileira de Física (SBF), o estudo mostra que essas oscilações podem ser compreendidas a partir de um modelo relativamente simples, oferecendo uma nova interpretação para um sistema auspicioso para o estudo de estados topológicos da matéria, isto é, das fases em que as propriedades eletrônicas permanecem protegidas contra pequenas perturbações devido à peculiaridade da estrutura eletrônica e simetrias do material.
Na entrevista, eles explicam que os chamados isolantes topológicos despertaram enorme interesse da comunidade científica nas últimas duas décadas por apresentarem propriedades eletrônicas incomuns, determinadas pela composição química do material e pela topologia de seus estados quânticos. A dupla acrescenta que, em determinadas condições, os elétrons deixam de se comportar como partículas independentes e passam a dar origem a quase-partículas com características semelhantes às de partículas relativísticas previstas pela teoria de Dirac, que foi formulada pelo físico teórico britânico Paul Dirac em 1928 (essa teoria também previu a existência da antimatéria, ao mostrar que toda partícula tem uma antipartícula correspondente).
“Um isolante topológico é um material cujas propriedades são extremamente influenciadas pelo caráter topológico das simetrias de seus estados quânticos. Perto de transições topológicas, os elétrons não se comportam de maneira individual, mas como quase-partículas que podem além de seu comportamento quântico, apresentar comportamento relativístico”, explica Cauê. Segundo ele, o trabalho demonstrou justamente “a presença de férmions de Dirac dominando as propriedades físicas desse material”.
O ZrTe₅ já é estudado há muitos anos justamente porque sua fase topológica pode ser alterada com parâmetros externos, como a aplicação de condições extremas acessíveis. “Com campo magnético, temperatura ou mesmo esticando o material, você pode mudar as propriedades topológicas dele”, resume o pesquisador. Essa versatilidade transformou o composto em uma alternativa bastante interessante para investigar fenômenos quânticos fundamentais.
O foco do artigo foi compreender as oscilações quânticas que não obedecem à periodicidade prevista pelos modelos tradicionais e persistem mesmo sob campos magnéticos extremamente intensos, comportamento que intrigava a comunidade científica. “O nosso trabalho contribuiu para entender oscilações quânticas anômalas. Elas não seguiam uma periodicidade esperada e também persistiam até campos magnéticos muito altos, o que para esse material era esperado que não acontecesse”, afirma Cauê.
Para investigar o fenômeno, foi necessária uma colaboração internacional envolvendo pesquisadores da USP e do Los Alamos National Laboratory, onde Cauê realizou parte da pesquisa durante um intercâmbio financiado pela FAPESP. Os experimentos exigiram condições extremas, incluindo temperaturas de apenas 0,5 kelvin — cerca de meio grau acima do zero absoluto — e campos magnéticos de até 65 teslas.
Julio Larrea explica que a própria infraestrutura disponível na USP levou o grupo a buscar parceiros internacionais. “Nossa linha de pesquisa é justamente materiais topológicos em condições extremas. Na USP, dispomos de altas pressões, baixas temperaturas e campos magnéticos intensos. No entanto, para este trabalho eram necessários campos magnéticos ainda mais altos, disponíveis em apenas algumas instalações de pesquisa no mundo. Então procuramos colaboradores em instituições de pesquisa que tivessem esse tipo de infraestrutura.”
Nos experimentos realizados em Los Alamos, campos magnéticos pulsados foram usados para produzir campos elevados, mas por pouquíssimo tempo. “Em cerca de dez milissegundos, o campo magnético sobe de zero até 65 teslas e, em seguida, decai ao longo de aproximadamente trinta milissegundos. Você precisa fazer todas essas medidas muito rápido e sincronizar tudo com extrema precisão”, relata Cauê.
Além da parte experimental, o pesquisador desenvolveu o modelo teórico que explica o comportamento observado. Em vez de recorrer a modelos complexos envolvendo fortes interações eletrônicas, o estudo mostrou que uma descrição simples poderia ser suficiente. Desde que fossem usados os férmions de Dirac e o chamado acoplamento spin-órbita, responsável por alterar a resposta das quase-partículas ao campo magnético.
“Mostramos que, justamente por causa desse acoplamento, você precisa considerar alguns termos adicionais, e isso gera essas oscilações quânticas anômalas. Mas tudo dentro de um framework de partícula única”, assinala Cauê.
Para Julio Larrea, a importância dos resultados vai além da solução de um problema específico. Segundo ele, ainda existem poucas evidências experimentais capazes de confirmar diversas previsões feitas pela teoria dos materiais topológicos. “A grande maioria dos materiais propostos não mostrou nada de topologia. Talvez o ZrTe₅ seja um dos pouquíssimos exemplos que realmente estão mostrando esse comportamento”, afirma.
Outro aspecto relevante, acrescenta Larrea, é que o material parece permitir o estudo da topologia sem que seja necessário considerar fenômenos coletivos complexos envolvendo muitos elétrons. “Esse sistema realmente se mostra uma plataforma ideal para estudar a topologia sem ir tão longe aos fenômenos coletivos de muitos corpos quânticos.”
Quanto às perspectivas de aplicação, os pesquisadores sublinham que elas são promissoras. A compreensão detalhada da estrutura eletrônica desses materiais, eles dizem, pode abrir caminho para novas tecnologias quânticas. “Esses materiais possuem estados quânticos protegidos e manipular esses estados é um objetivo importante para tecnologias quânticas, incluindo computação quântica”, explica Cauê. Julio amplia essa visão ao destacar que um mesmo material pode apresentar diferentes funcionalidades. “Esses comportamentos podem ser usados para tecnologias quânticas, como sensores, supercondutividade e outras aplicações que ainda estão sendo desenvolvidas.”
Os pesquisadores também ressaltam que o trabalho representa um exemplo do papel estratégico da colaboração internacional para o fortalecimento da ciência brasileira. “A ciência hoje não pode ficar isolada dentro de um local apenas. Precisamos desse tipo de colaboração porque é assim que ela pode ser desenvolvida”, afirma Cauê. Segundo ele, o Brasil também oferece infraestrutura importante para pesquisas de fronteira, como o Sirius e o laboratório LQMEC da USP, que desenvolve pesquisa de materiais quânticos em condições extremas, tornando a troca de conhecimento benéfica para todos os parceiros.
Para Julio Larrea, outro legado significativo do estudo é a formação de pesquisadores capazes de atuar na área experimental de tecnologias quânticas. “A maioria dos trabalhos nessa área ainda é teórica. Precisamos formar recursos humanos capazes de transformar esse conhecimento em observações experimentais e, futuramente, em tecnologias.” O professor destaca ainda a trajetória de seu ex-aluno como exemplo desse processo de formação. E espera que essa experiência retorne ao país na forma de novos grupos e projetos.
Ao falar aos estudantes interessados em seguir carreira na área, Cauê deixa um conselho inspirado pela própria pesquisa. “A natureza estava dizendo para a gente que, na verdade, um modelo muito simples já poderia explicar o fenômeno. Tentem sempre pegar a física mais simples possível para explicar os resultados experimentais. Se necessário, depois vocês complicam.” Julio completa lembrando que teoria e experimento devem caminhar juntos. “Eu sempre falava para ele: um bom experimental é aquele que entende a teoria. E um bom teórico é aquele que descreve objetivamente os fatos experimentais evitando especulação. Afinal, o que mostra a física é a observação”, conclui.
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Por Leandro Haberli
