Físicos desenvolvem nova ferramenta para identificar fases da matéria

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As fases da matéria são as formas físicas distintas assumidas por todas as “coisas” do universo, dos icebergs ao ozônio, e agora os cientistas da Universidade de Yale desenvolveram uma maneira mais precisa de ajudar a classificar algumas delas.

Os resultados aparecem num estudo recente publicado na revista Physical Review Letters e na Physical Review B.

As fases fundamentais da matéria – sólido, líquido e gás – são bem conhecidas. Mas existem muitas outras fases, incluindo aquelas que surgem quando a matéria é resfriada ou aquecida a temperaturas extremas. O calor extremo, por exemplo, pode criar fases de plasma quebrando os átomos individuais de uma substância. O frio extremo, por outro lado, até quase zero absoluto, aciona uma série de fases quânticas em que as partículas interagem de maneiras inteiramente novas.

Compreender os meandros dessas fases poderia revelar avanços na computação quântica e na ciência dos materiais. Na verdade, algumas dessas fases podem ser usadas como discos rígidos quânticos que armazenam informações quânticas. É por isso que os cientistas estão buscando ativamente novas abordagens para caracterizá-los e classificá-los.

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Há mais de uma década, os físicos Alexei Kitaev e John Preskill, da Caltech, e Michael Levin, juntamente com Xiao-Gang Wen, do MIT, criaram uma nova ferramenta diagnóstica – chamada entropia de emaranhamento topológica – para identificar se uma fase é topológica. A topologia explica por que você pode transformar uma forma de rosquinha em uma xícara de café simplesmente deformando sua superfície. Topologicamente falando, uma xícara de café é o mesmo que um donut porque ambos têm um buraco.

A topologia é particularmente importante na pesquisa quântica, porque as propriedades robustas das fases topológicas estabelecem uma medida de estabilidade dentro do mundo altamente delicado e imprevisível da física quântica. Semelhante ao exemplo de rosca em que o número de buracos não muda sob deformações suaves, a topologia aparece nos padrões de entrelaçamento quântico em uma fase topológica. O princípio da entropia de entrelaçamento topológica pode detectar tais padrões.

Uma equipe de pesquisadores de Yale, liderada pelo físico Meng Cheng, encontrou uma discrepância no princípio que poderia levar a um resultado falso. A equipe incluiu o estudante de pós-graduação Arpit Dua e o associado de pós-doutorado Dominic Williamson.

“Devido à sua natureza fundamental, este princípio tem sido amplamente utilizado na literatura sobre as fases topológicas”, disse Dua.

O culpado, disse Dua, é um tipo específico de ordem oculta que surge em partes da fase da matéria. O primeiro estudo dos pesquisadores aponta a discrepância, explica por que isso ocorre e oferece uma maneira de corrigir o erro – tornando o princípio mais preciso. No segundo estudo, os pesquisadores analisam uma classe importante de fases em que a discrepância ocorre, fases que poderiam ser usadas para fazer discos rígidos quânticos. Os pesquisadores discutem uma quantidade que pode ser usada para classificar essas fases, uma quantidade que é robusta à presença da ordem da cadeia oculta que afeta a entropia de entrelaçamento topológica.

“As fases topológicas representam uma classe importante de fases da matéria”, disse Dua. “O estudo e os métodos para diagnóstico são importantes e identificar as ferramentas corretas de diagnóstico é fundamental”.

FONTE: A tool for identifying phases of matter [YaleNews]

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