Uma equipe de físicos, incluindo o professor assistente da Universidade de Massachusetts, Tigran Sedrakyan, anunciou recentemente na revista Nature que descobriram uma nova fase da matéria. Chamado de "estado líquido de Bose quiral", a descoberta abre um novo caminho no antigo esforço para entender a natureza do mundo físico.

Nas condições cotidianas, a matéria pode ser sólida, líquida ou gasosa. Mas uma vez que você se aventura além do cotidiano – em temperaturas que se aproximam do zero absoluto, coisas menores que uma fração de um átomo ou que têm estados de energia extremamente baixos – o mundo parece muito diferente. “Você encontra estados quânticos da matéria bem distantes dessas margens”, diz Sedrakyan, “e eles são muito mais selvagens do que os três estados clássicos que encontramos em nossa vida cotidiana”.

Sedrakyan passou anos explorando esses estados quânticos selvagens e está particularmente interessado na possibilidade do que os físicos chamam de "degeneração de banda", "bandas de fosso" ou "frustração cinética" na matéria quântica em forte interação.

Normalmente, as partículas em qualquer sistema colidem umas com as outras e, ao fazê-lo, causam efeitos previsíveis, como bolas de bilhar batendo umas nas outras e reagindo em um padrão previsível. Em outras palavras, os efeitos e as partículas estão correlacionados. Mas em um sistema quântico frustrado, existem infinitas possibilidades que decorrem da interação de partículas – talvez a bola de bilhar levite ou diminua em um ângulo impossível – e algumas dessas infinitas possibilidades podem levar a novos estados quânticos.

O que Sedrakyan e seus colegas fizeram foi projetar uma máquina de frustração: um dispositivo semicondutor de duas camadas. A camada superior é rica em elétrons e esses elétrons podem se mover livremente. A camada inferior é preenchida com "buracos" ou lugares que um elétron errante pode ocupar. Então as duas camadas são trazidas extremamente próximas umas das outras — proximidade interatômica.

Se o número de elétrons na camada superior e os buracos na camada inferior fossem iguais, seria de se esperar ver as partículas agindo de maneira correlacionada, mas Sedrakyan e seus colegas projetaram a camada inferior para que houvesse um desequilíbrio local entre as partículas. número de elétrons e buracos na camada inferior. "É como um jogo de dança das cadeiras", diz Sedrakyan, "projetado para frustrar os elétrons. Em vez de cada elétron ter uma cadeira para ir, eles agora devem lutar e ter muitas possibilidades de onde 'se sentam'."

Essa frustração dá início ao novo estado de borda quiral, que possui várias características surpreendentes. Por exemplo, se você resfria a matéria quântica em um estado quiral até o zero absoluto, os elétrons congelam em um padrão previsível e as partículas neutras de carga emergentes nesse estado giram no sentido horário ou anti-horário. Mesmo se você esmagar outra partícula em um desses elétrons ou introduzir um campo magnético , você não pode alterar seu spin – é surpreendentemente robusto e pode até ser usado para codificar dados digitais de maneira tolerante a falhas.

Ainda mais surpreendente é o que acontece quando uma partícula externa se choca contra uma das partículas no estado de borda quiral. Voltando à metáfora da bola de bilhar, você esperaria lançar a bola oito voando quando a bola branca bater nela. Mas se as bolas de bilhar estivessem em um estado líquido de Bose quiral, todas as 15 reagiriam exatamente da mesma maneira quando a bola oito fosse atingida. Este efeito é devido ao emaranhamento de longo alcance presente neste sistema quântico.

É difícil observar o estado líquido de Bose quiral, razão pela qual ele permaneceu oculto por tanto tempo. Para fazer isso, a equipe de cientistas, incluindo os físicos teóricos Rui Wang e Baigeng Wang (ambos da Universidade de Nanjing), bem como os físicos experimentais Lingjie Du (Universidade de Nanjing) e Rui-Rui Du (Universidade de Pequim) projetaram uma teoria e um experimento que usou um campo magnético extremamente forte, capaz de medir os movimentos dos elétrons enquanto eles correm para as cadeiras.

"Na borda da bicamada semicondutora, elétrons e buracos se movem com as mesmas velocidades", diz Lingjie Du. “Isso leva a um transporte semelhante a uma hélice, que pode ser ainda mais modulado por campos magnéticos externos à medida que os canais de elétrons e buracos são gradualmente separados sob campos mais altos”.

Os experimentos de transporte magnético, portanto, revelam com sucesso a primeira evidência do líquido de Bose quiral, que os autores também chamam de "ordem topológica excitônica" no artigo publicado.