Mundo exótico descoberto por físicos está por todos os lados

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/09/2021

O experimento envolveu uma rede triangular de esferas unidas por vigas elásticas, tudo mergulhado em um fluido viscoso. As estranhas geometrias emergentes são as mesmas que explicam as reações incomuns desses materiais à luz e à eletricidade.
[Imagem: Tsvi Tlusty et al. - 10.1103/PhysRevE.104.025002]

Isolantes topológicos

Uma nova classe de materiais descoberta recentemente tornou-se quase imediatamente uma das estrelas de todas as pesquisas que sonham com novas arquiteturas computacionais, de processadores eletrônicos além da Lei de Moore até processadores quânticos e processadores fotônicos, que funcionam com luz.

São os isolantes topológicos, materiais que apresentam características exóticas apenas em sua superfície, mas não em seu interior. Por exemplo, a simetria do material impede que os elétrons se espalhem, um conceito que rendeu o Nobel de Física de 2016.

Se qualquer comportamento guiado pela mecânica quântica já pode ser muito justamente chamado de exótico, esses materiais são então os exóticos dentro do exótico.

Tamanha anomalia fez com que os físicos considerassem até agora que os isolantes topológicos representam estados da matéria muito especiais, com suas propriedades apenas se manifestando em condições ainda mais especiais.

Nada mais longe da verdade: o pesquisador Tsvi Tlusty, da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia Ulsan, na Coreia do Sul, acaba de demonstrar que as características topológicas exóticas apresentadas nesses sistemas sofisticados de matéria quântica (a matéria reagindo segundo as leis da mecânica quântica) também emergem na matéria comum em temperatura ambiente (a matéria reagindo segundo as leis da mecânica clássica).

Em outras palavras, os tais "fenômenos exóticos" pouco têm de exotismo, sendo muito mais difundidos do que se acreditava.

Sistemas não-Hermitianos

Os comportamentos exóticos apresentados pelos isolantes topológicos passam ao largo de um dos fundamentos mais básicos da física, a chamada "lei de conservação de energia".

Não é que eles não obedeçam à lei: A questão é que a conservação de energia funciona em sistemas fechados, e a maioria dos sistemas que conhecemos e com os quais lidamos são abertos e dissipativos, trocando energia e informação com o mundo externo. E alguns desses sistemas abertos, que os matemáticos chamam de não-Hermitianos, reagem de forma muito diferente do padrão, razão pela qual dizemos que eles são exóticos.

Então Tsvi Tlusty se dispôs a checar se essas topologias exóticas são realmente incomuns na natureza. Afinal de contas, estamos mergulhados em um mundo dissipativo, e os organismos vivos estão inerentemente abertos à troca com o meio ambiente em todas as escalas.

A resposta que Tlusty é que não há exotismo nenhum em jogo - esses fenômenos acontecem por todos os lados.

O fluxo de uma rede de matéria mole (modelo) gera características topológicas exóticas nas bandas de energia (direita), onde se podem ver arcos de Fermi, e na densidade dos estados (esquerda).
[Imagem: UNIST]

Exotismo onipresente

Ao vincular topologia e hidrodinâmica, Tlusty demonstrou pela primeira vez assinaturas topológicas exóticas na matéria comum. Na verdade, ele registrou o fenômeno não apenas em superfície sólidas duras, como nos materiais estudados até agora, mas também na matéria mole, incluindo uma rede elástica simples sujeita a um fluxo viscoso.

Surpreendentemente, ele observou até mesmo um arco de Fermi, um formato particularmente elusivo até agora só observado em um cristal fotônico. Configurações físicas semelhantes de matéria elástica em fluxo viscoso são comuns na matéria mole e na matéria viva, por exemplo em cristais coloidais e tecidos biológicos. É possível até construir essas redes moles em nanoescala a partir de moléculas de DNA e proteínas.

"Tudo isso sugere que a topologia exótica é onipresente em nosso ambiente imediato, talvez até mesmo em nossos corpos," disse Tlusty. "Assim como nos campos dos materiais topológicos eletrônicos ou fotônicos, podemos até mesmo começar a pensar sobre as possíveis aplicações da tecnologia baseada em topologia neste regime comum."

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