Pesquisadores revisitam modelo clássico da física para compreender propriedades quânticas da matéria

Uma pesquisa desenvolvida pelo doutorando Márcio Guimarães, do Instituto de Física da Universidade Federal de Uberlândia (Infis/UFU), sob orientação do professor Edson Vernek, foi publicada em uma das revistas da Sociedade Americana de Física, voltada para a área de matéria condensada. O estudo conta com a colaboração de pesquisadores de universidades estadunidenses: Oscar Avalos-Ovando, da Universidade da Carolina do Norte, e Sergio Ulloa, da Universidade de Ohio. O grupo investiga como a mobilidade de cargas elétricas modifica os sistemas descritos pelo modelo de Kitaev, um dos principais modelos teóricos utilizados para compreender fenômenos quânticos em materiais. 

Embora o tema envolva conceitos complexos da física, a pergunta que guiou a pesquisa pode ser resumida de forma simples: o que acontece quando elétrons que, em um modelo teórico, permanecem fixos em suas posições passam a se movimentar pelo sistema? A resposta ajuda os cientistas a entender melhor estados da matéria conhecidos como fases topológicas, que têm despertado interesse por suas propriedades incomuns e por seu potencial para futuras tecnologias quânticas.
 

Topologia: investigando as fases da matéria

Assim como a água pode existir nos estados líquido, sólido ou gasoso, os materiais também podem apresentar diferentes fases. Em termos simples, a topologia é um ramo da matemática que investiga propriedades que permanecem inalteradas mesmo quando um objeto é deformado parcialmente. Vernek explica que, na física, esse conceito é interessante para compreender as propriedades da matéria: “Os estados quânticos dos materiais topológicos têm essa propriedade de serem estáveis, que são almejadas e sonhadas para dispositivos de computação quântica”.

O modelo clássico da física que é abordado na pesquisa é o Modelo de Kitaev, usado para descrever sistemas com essas propriedades topológicas. Nele, os elétrons permanecem fixos em suas posições, e seus cálculos possuem soluções exatas. “Você tem os sistemas físicos, que é a realidade, e tem os modelos, que são a aproximação da natureza, mas a realidade normalmente é mais complicada do que a gente pode escrever”, explica o docente.

Uma nova pergunta científica

O questionamento principal da pesquisa surge em 2022, um dos períodos em que Vernek atuou como professor visitante na Universidade de Ohio, nos Estados Unidos, por meio do Programa Institucional de Internacionalização (Capes-PrInt). Na época, o grupo pretendia estudar situações em que poderiam ocorrer transferências de carga entre camadas dos materiais, alterando suas propriedades quânticas, e como isso poderia alterar as fases topológicas do sistema.

Aqui é onde entra o modelo de Kitaev, que considera que os elétrons estejam fixos e localizados. “E se esses elétrons saírem dessa posição e irem para os sítios vizinhos? Nossa proposta era justamente permitir que as cargas se movessem”, explica Vernek. As primeiras tentativas de abordar o problema tiveram muitos desafios, o que levou o professor a deixar essa pergunta em aberto quando retornou à Uberlândia: “As soluções que apareceriam não faziam sentido físico, eram completamente contraditórias”.

Guimarães, que realizou seu mestrado com a orientação de Vernek, mostrou interesse em levantar de novo essa questão em sua pesquisa de doutorado, que buscava definir o tema central de seu doutorado.“Professor tem burocracia, tem projeto para escrever, tem colegiados e comissões. Quem coloca a mão na massa são os alunos”, comenta o docente.

Com muitas reformulações do estudo, chegaram a resultados que foram publicados no artigo internacional. “A gente, inicialmente, quis pegar o bolo inteiro, mas viu que não cabia no prato. Tivemos que contornar e pegar só uma fatia para deixar o processo mais simples”, conta Guimarães. Para realizar as simulações e cálculos necessários durante o processo, a equipe utilizou recursos do Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho (Cenapad), que faz parte da rede brasileira de supercomputação voltada à pesquisa científica.
 

Próximos passos da computação quântica

A estabilidade dos materiais com propriedades topológicas passaram a despertar grande interesse em pesquisas voltadas para a computação quântica. Para Vernek, existe hoje um esforço para aproximar duas áreas que avançam simultaneamente: “Tem a abordagem do pessoal que faz computação quântica do ponto de vista da teoria. Outra abordagem já olha para o sistema físico e pergunta: esse material pode ser um candidato para desempenhar aquela função pensada na computação quântica?”.

Parte desse interesse está relacionada aos chamados férmions de Majorana, partículas que nunca foram vistas na natureza, mas foram teorizadas pelo físico italiano Ettore Majorana em 1937. Na teoria, suas propriedades são semelhantes a alguns materiais topológicos. O tema ganhou projeção internacional recentemente após o anúncio dos chips Majorana 1 e 2, desenvolvidos pela Microsoft.

“Eu tô longe de dizer para você que nós estamos desenvolvendo um protótipo”, ressalta o docente, “não tenho nenhuma expectativa que o meus achados vão transformar o mundo, mas eu vou escrevendo e colocando um tijolinho nessa construção”.


“Conhecer o problema talvez seja tão importante quanto resolvê-lo”

Embora a pesquisa tenha ampliado a compreensão sobre as fases topológicas previstas pelo modelo de Kitaev, ela também revelou questões que permanecem sem resposta. Segundo Vernek, alguns fenômenos observados nesses sistemas ainda desafiam os modelos teóricos disponíveis: "Tem propriedades que ninguém conseguiu descrever precisamente, e a gente também não”.

Entre os temas que seguem em investigação está a possível relação desses materiais com a supercondutividade, fenômeno em que determinados materiais conduzem corrente elétrica sem resistência. A compreensão desses mecanismos é considerada um dos grandes desafios atuais da física da matéria condensada. Vernek afirma: “Conhecer o problema talvez seja tão importante quanto resolvê-lo”.

Os resultados foram publicados na revista Physical Review B. O artigo não está disponível em português, o que Vernek explica ser um padrão dentro da comunidade científica: “Todo mundo publica nas revistas internacionais. De certo modo, é pouco acessível”.

Embora a pesquisa dialogue com temas de grande interesse atual, como a computação quântica, Vernek ressalta que a importância do trabalho vai além de possíveis aplicações tecnológicas futuras. “O que nos move é a busca pelo conhecimento, não tem outra”, finaliza.

 

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