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Física & Química

Físicos desenvolvem nova ferramenta para identificar fases da matéria

Mesmo que você não seja um físico, as fases da matéria continuam a importar.

© stock.adobe.com

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.

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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.

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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.

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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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