O Prêmio Nobel de Física em 2016 foi dividido, com uma metade indo para David J. Thouless, na Universidade de Washington, e a outra para F. Duncan M. Haldane, na Universidade de Princeton, e J. Michael Kosterlitz , da Universidade Brown. O prêmio foi agraciado pela pesquisa dos teóricos sobre física da matéria condensada, particularmente por seu trabalho em transições de fase topológicas e fases topológicas da matéria, fenômenos por trás de estados exóticos de matéria, como supercondutores, superfluidos e filmes finos magnéticos. O trabalho permitiu novos insights sobre o comportamento da matéria em temperaturas baixas, e gerou base para a criação de novos materiais chamados isolantes topológicos, que poderiam permitir a construção de computadores quânticos mais sofisticados.
A topologia é um ramo da matemática que estuda propriedades que só mudam de forma incremental, em passos inteiros, ao invés de continuamente. Thors Hans Hansson, um físico da Universidade Estocolmo que serviu no Comitê do Nobel neste ano, explicou o conceito essencial de topologia durante o anúncio dos prêmios, tirando de um pacote um pedaço de bolo de canela, um bagel e um pretzel sueco. “Eu trouxe meu almoço,” ele brincou, e depois explicou que, para um topologista, a única diferença entre os três tipos de alimento era o número de buracos neles, e não o seu gosto. Um pedaço de bolo de canela não possui buracos, enquanto o bagel tem um e o pretzel tem dois. Para um topologista, então, o bolo seria da mesma categoria que um pires, o bagel seria pareado com um copo, e um pretzel com um par de óculos. Os insights premiados de Thouless, Kosterlitz e Haldane giram em torno da ideia de que esses mesmos tipos de “invariantes topológicos” também poderiam explicar mudança de fases da matéria, mas não das familiares, como líquido congelando e passando para o estado sólido ou sublimando e passando para o estado gasoso. Ao invés disso, as mudanças de fase estudadas pelos teóricos ocorrem principalmente em filmes bidimensionais resfriados a temperaturas criogênicas.
O primeiro insight veio nos início dos anos 70, quando Thouless e Kosterlitz trabalhavam juntos para derrubar o consenso de que transições de fase como a supercondutividade (fluxo de corrente sem resistência) e superfluidez (um fluido que possui zero atrito) simplesmente não poderiam acontecer em sistemas bidimensionais devido às flutuações termais, mesmo no zero absoluto. Eles descobriram que sistemas bidimensionais gelados podiam, de fato, ser submetidos a transições de fase através de um fenômeno totalmente imprevisto, a formação de pares de vórtices em temperaturas bem baixas que, de repente, se afastam à medida que a temperatura aumenta além de um certo limite térmico. Essa “Transição KT” (de “Kosterlitz-Thouless”) é universal, e tem sido utilizada para estudar supercondutividade em finos filmes, e também para explicar porque a supercondutividade se dissipa em temperaturas mais altas.
Depois, nos anos 80, Thouless e Haldane estudaram separadamente como a condução da eletricidade em sistemas quânticos obedecia regras topológicas. O trabalho de Thouless examinou o efeito Hall quântico, um fenômeno previamente conhecido em que fortes campos magnéticos e temperaturas baixas em camadas finas de semicondutores fazem a condutância elétrica mudar apenas em passos inteiros precisos, ao invés de continuamente. O fenômeno seguia inexplicável até que Thouless supôs que os elétrons nesses sistemas estavam formando o que é conhecido como um fluido quântico topológico, agindo coletivamente para fluir em passos inteiros. Independentemente, Haldane mostrou que fluidos quânticos podem ser formados em camadas de semicondutores mesmo na ausência de campos magnéticos fortes, continuando suas previsões anteriores de comportamento topológico semelhante em correntes unidimensionais de átomos magnetizados.
Juntos, os insights dos trabalhos de Thouless e Haldane se provaram cruciais no desenvolvimento e entendimento de isolantes topológicos, novas substâncias que bloqueiam o fluxo de elétrons no seu interior ao mesmo tempo que conduzem eletricidade através de suas superfícies. Essa propriedade única poderia tornar os isolantes úteis para esmiuçar novos tipos de partículas fundamentais, e para formar o circuito de computadores quânticos. Cientistas já estão discutindo e, em alguns casos, produzindo outros materiais ainda mais exóticos, supercondutores e metais topológicos que possuem enorme potencial para novas aplicações em computação e eletrônicos.
Esse trabalho “nos diz que mecânica quântica pode se comportar de uma maneira muito mais estranha do que poderíamos adivinhar, e nós realmente ainda não entendemos todas as possibilidades,” disse Haldane em um entrevista por telefone. “Nós temos um longo caminho para descobrir o que é possível, e muitas dessas coisas são coisas que ninguém teria sonhado serem possíveis.”
Lee Billings
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