A mais nova física de matéria condensada do Caltech, Linda Ye, que cresceu em Sichuan, China, é especialista em inventar e caracterizar novos materiais quânticos que têm aplicações em ciência da computação quântica, ciência de materiais e desenvolvimento de eletrônicos robustos. "Se você torcer, alongar e empurrar materiais, você pode criar estados exóticos de matéria inteiramente novos", ela diz. "Os elétrons no material acabam ficando em um mundo diferente."

Ye, que é professora assistente de física, recebeu seu diploma de bacharel pela Universidade Tsinghua, na China, em 2012, um mestrado pela Universidade de Tóquio em 2014 e um doutorado pelo MIT em 2020. Ela então atuou como bolsista de pós-doutorado Marvin Chodorow na Universidade Stanford antes de ingressar no corpo docente do Caltech em 2023.

Para seu PhD, Ye criou o que é chamado de materiais topológicos. A palavra topologia se refere a um conjunto de propriedades eletrônicas excepcionalmente estáveis que surgem de como os átomos são arranjados e conectados dentro do material. "Essas propriedades são robustas e não mudam quando os materiais são perturbados", ela diz.

Materiais topológicos são assim cunhados porque o movimento do elétron pode ser descrito com a mesma matemática usada para caracterizar os formatos de donuts e canecas de café. Por exemplo, um donut tem uma configuração topológica que inclui um furo. O número de furos, ou a topologia do donut, é robusta mesmo se você deformar seu formato em uma caneca de café. Para mudar a configuração topológica do donut, seria preciso fazer algo muito drástico, como abrir outro furo nele ou enrolá-lo em uma bola sem furos.

Diferentes estados topológicos dentro de um material podem se traduzir em propriedades interessantes. De fato, o Prêmio Nobel de Física de 2016 foi para três pesquisadores "por descobertas teóricas de transições de fase topológicas e fases topológicas da matéria". Devido ao importante papel desempenhado pela natureza mecânica quântica dos elétrons, esses materiais topológicos também são uma parte essencial de um conceito mais amplo chamado materiais quânticos.

Durante o trabalho de pós-doutorado de Ye em Stanford, ela mudou de assunto e trabalhou em materiais fortemente correlacionados, uma classe diferente de materiais quânticos com uma história mais longa em pesquisa. Nesses materiais, que incluem supercondutores de alta temperatura, os elétrons interagem muito fortemente uns com os outros. Ela desenvolveu técnicas para descobrir novos estados da matéria nesses materiais, que envolvem deformar, ou tensionar, os materiais.

Agora, Ye está combinando suas áreas de pesquisa anteriores para criar materiais que são topológicos e fortemente correlacionados, algo que não é comum em seu campo. Ela está usando vários métodos, incluindo sintetizar materiais do zero e deformá-los, para procurar propriedades quânticas inesperadas.

Conversamos com Ye para saber mais sobre sua pesquisa e histórico.

Eu era muito bom em matemática e física quando era jovem, mas primeiro queria me tornar um arquiteto. Gosto de arquitetura porque ela combina ciência e arte, mas, no final, encontrei meu caminho na física, e isso me trouxe aqui para o Caltech. Olhando para trás, percebo que ser um físico da matéria condensada não é totalmente diferente de ser um arquiteto, pois os materiais que estudamos são essencialmente uma "arquitetura" de átomos. Muitos conceitos são comuns entre arquitetura e materiais também, como a importância da simetria e a organização geral de constituintes menores.

Os alunos aqui são realmente curiosos e também muito focados no que estão fazendo. Em geral, gosto que tenhamos uma comunidade muito motivada de físicos teóricos e experimentais da matéria condensada. Somos uma comunidade pequena, mas colaborativa.

O conceito de materiais topológicos estava começando a tomar forma quando me tornei um estudante de graduação, e minha universidade convidou muitos pioneiros para visitar. Eles até ofereceram um curso introdutório sobre a física de materiais topológicos, e isso trouxe muita excitação para esse campo emergente. Naquela época, fiz o curso e achei a combinação entre topologia e física muito legal, mas não percebi que me especializaria nesses materiais. Para meu doutorado, comecei a trabalhar no que são chamados de metais kagome. O nome vem de um tipo de cesta japonesa chamada kagome. Estávamos trabalhando em um material com um padrão de rede que lembra a trama de cesta. O padrão tem uma simetria hexagonal e é muito semelhante à rede de favo de mel do grafeno. Outros já haviam teorizado sobre o padrão de rede antes, mas nosso trabalho foi um dos primeiros a realmente explorar a estrutura eletrônica desse padrão em materiais reais experimentalmente.

Para que um material seja topológico, os elétrons têm funções de onda diferentes, ou se comportam de forma diferente, no interior e na fronteira do material. A diferença leva a propriedades condutoras especiais dos elétrons na superfície. É como um burrito embrulhado em papel alumínio: não só a fronteira é diferente do interior, mas, neste caso, o interior do material não conduz eletricidade enquanto a superfície conduz. Os materiais kagome são fundamentalmente uma nova maneira de criar estados eletrônicos topológicos da matéria. Estamos entusiasmados que este campo tenha se expandido significativamente, com inúmeras descobertas acontecendo em todo o mundo.

Os materiais fortemente correlacionados apresentam interações mais fortes entre os elétrons. Os exemplos mais famosos são os supercondutores de alta temperatura, nos quais as interações fortes entre os elétrons são a força motriz da supercondutividade. As primeiras gerações de materiais topológicos são frequentemente "partículas únicas", o que significa que são definidas em uma estrutura sem interações entre os elétrons. Tradicionalmente, materiais fortemente correlacionados e topológicos são duas direções separadas no campo maior de materiais quânticos. Um objetivo do meu laboratório é combinar as duas direções para criar estados inesperados da matéria.

Essa é uma ótima pergunta e espero respondê-la com meu grupo de pesquisa nos próximos anos. Não há uma maneira universalmente aceita de fazer isso. Uma das ideias que estamos explorando agora é projetar materiais com geometrias de rede específicas que inibam o movimento dos elétrons. Nesses chamados sistemas de "banda plana", os elétrons têm energia cinética muito baixa e, portanto, sentem suas interações mutuamente repulsivas muito fortemente, o que pode levar a estados exóticos da matéria. Como fazemos nosso próprio crescimento de cristais no laboratório, podemos projetar com flexibilidade a rede de rede em que os elétrons se encontram e o elemento químico do qual eles são derivados. Isso cria um pequeno mundo onde os elétrons se comportam e interagem de forma diferente.

Também estamos deformando mecanicamente esses materiais que cultivamos em nosso laboratório com base em técnicas que aprendi durante meu pós-doutorado em Stanford. Aplicamos uma voltagem em altas temperaturas para torcer, alongar e empurrar ou puxar o material. Isso nos ajuda a ajustar os materiais e criar novas fases da matéria. Em certo sentido, você está criando novos materiais apenas deformando a rede. Esperamos usar isso a nosso favor na descoberta de novas físicas em muitos materiais quânticos.