Novos estados da matéria em baixas temperaturas rendem Nobel em física

Criado: 06 Outubro 2016

Britânicos David Thouless, F. Duncan Haldane e J. Michael Kosterlitz 

O mundo do muito pequeno, regido pela mecânica quântica, não cansa de trazer surpresas. E, ao desenvolver técnicas capazes de desvendar a existência de novos e estranhos estados da matéria em condições extremas, um trio de pesquisadores dos Estados Unidos levou o Prêmio Nobel de Física de 2016.

Metade da bolada de 8 milhões de coroas suecas foi para o britânico David J. Thouless, da Universidade Washington, em Seattle, e outra metade para seus compatriotas será dividida entre F. Duncan M. Haldane, da Universidade de Princeton, e J. Michael Kosterliz, da Universidade Brown, em Providence.

A palavra-chave para a premiação foi "topologia", conceito matemático que descreve propriedades que só podem mudar em uma escala de passos inteiros. Por exemplo: ao descrever a forma de uma rosquinha e um pretzel, podemos dizer que a primeira tem um buraco e o segundo tem três. E essa descrição é topológica –não há como imaginar uma forma que tenha dois buracos e meio.

"Com a moderna topologia como ferramenta, os laureados deste ano apresentaram resultados surpreendentes, que abriram novos campos de pesquisa e levaram à criação de novos e importantes conceitos em diversas áreas da física", escreveu a comissão do Nobel ao justificar a premiação.

Novas fases

As descobertas e avanços feitos pelos premiados avançaram nosso conhecimento além dos já famosos por óbvios que são em nosso cotidiano– estados da matéria. Todo mundo está familiarizado com sólido, líquido e gasoso, e como os diferentes materiais podem ir de um estado a outro por meio das chamadas transição de fase.

Em casos de temperaturas mais altas, os elétrons associados aos núcleos atômicos se desprendem em meio ao gás, gerando um quarto estado da matéria, o plasma.

O que acontece, contudo, se avançamos na direção oposta, indo aos extremos de baixas temperaturas? 

Coisas estranhas começam a acontecer, conforme os efeitos quânticos passam a predominar e se manifestar sobre os materiais.
Em alguns casos, aparece a supercondutividade – fenômeno em que a eletricidade consegue fluir por um material sem resistência.

Noutros, a superfluidez, quando a viscosidade desaparece por completo de um material. E, claro, entre esses novos estados da matéria há transições de fase –que não eram compreendidas até Thouless, Kosterlitz e Haldane entrarem no jogo com a aplicação da topologia.

Os dois primeiros começaram a trabalhar juntos no início da década de 1970, estudando teoricamente materiais bidimensionais –ou seja, extremamente finos, que tinham largura e comprimento, mas não profundidade. Foi essa investigação que levou a um entendimento completamente novo das transições de fase, considerado uma das mais importantes descobertas na chamada física da matéria condensada. Não por acaso, esse efeito é chamado de transição Kosterlitz-Thouless.

Indo mais adiante, nos anos 1980, David Thouless e Duncan Haldane, de forma independente, aprofundaram a aplicação da topologia no estudo da matéria condensada, descobrindo que a teoria que explicava os efeitos quânticos em materiais sob campos magnéticos intensos e baixas temperaturas estava incompleta.

Seu trabalho foi fundamental para os desenvolvimentos que se seguiriam no estudo das novas e estranhas fases da matéria que a essa altura já foram observadas e confirmaram suas predições teóricas, como a de um efeito físico importantíssimo conhecido como efeito Hall quântico. Nele, os elétrons fluem relativamente livres na camada entre os semicondutores e formam algo que pode ser descrito como um fluido quântico topológico.

A pesquisa pode soar etérea, mas está na fronteira da tecnologia. Físicos hoje discutem as perspectivas para isolantes, supercondutores e metais topológicos, e suas propriedades devem ser úteis para a criação de futuros dispositivos eletrônicos e até mesmo para computadores quânticos, que usam as propriedades fundamentais da matéria para processar informações.

Em 2015, o Prêmio Nobel da Física foi concedido ao japonês Takaaki Kajita e ao canadense Arthur McDonald por terem mostrado que o neutrino tem massa, ao contrário do que se acreditava por muitos anos.

Neutrinos são partículas subatômicas sem carga elétrica – daí o seu nome. Se os neutrinos têm massa, isso significa que há uma significativa interação gravitacional entre eles e o resto do Universo. Foi o que Kajita e McDonald, trabalhando em diferentes detectores de partículas, mostraram no fim da década de 1990 e começo dos anos 2000.

Folha de S. Paulo - 04/10/2016 - Salvador Nogueira