Descoberta partícula que pode revolucionar toda a tecnologia

Com informações do MIT e Princeton

Imagem feita por detector (em cima) mostra a assinatura dos férmions de Weyl. Embaixo, esquema mostrando que os férmions de Weyl podem se comportar tanto como monopolo, quanto como antimonopolo dentro de um cristal de arseneto de tântalo. À direita, a previsão teórica feita pela equipe no mês passado. [Imagem: Su-Yang Xu/M. Zahid Hasan]

Matéria e antimatéria

Duas equipes internacionais descobriram simultaneamente uma partícula sem massa teorizada em 1929.

Essa partícula pode dar origem a produtos "pós-eletrônicos", mais rápidos e mais eficientes - entenda-se, ingerindo menos energia e expelindo menos calor - devido à sua capacidade incomum de se comportar como matéria e como antimatéria no interior de um cristal.

É difícil exagerar a importância da descoberta, que abre uma nova dimensão da fotônica - rumo aos processadores que funcionam com luz e aos computadores quânticos -, mas também abre possibilidades de novas áreas de pesquisa ainda nem sequer imaginadas.

Para entender essa descoberta, que não aconteceu no LHC e nem em qualquer outro grande acelerador de partículas, é importante seguir os passos da física e de sua matemática subjacente, que previu os detalhes da matéria e dessa nova "matéria imaterial".

A matemática que revelou a matéria

Em 1928, o físico inglês Paul Dirac elaborou uma equação fundamental para a física de partículas e a mecânica quântica, agora conhecida como equação de Dirac, que descreve as partículas-ondas relativísticas - elétrons muito rápidos logo se mostraram uma solução concreta para a equação de Dirac.

Mas a equação previa a possibilidade da existência da antimatéria dos elétrons, os antielétrons ou pósitrons, partículas com a mesma massa que os elétrons, mas com carga oposta. Em conformidade com a previsão da equação de Dirac, os pósitrons foram descobertos quatro anos depois, em 1932, pelo norte-americano Carl Anderson.

O maior mistério apareceu em 1929, quando o matemático alemão Hermann Weyl encontrou outra solução para a equação de Dirac, uma solução que implicava a existência de uma partícula sem massa - essas partículas passaram a ser conhecidas como "pontos de Weyl".

Um ano depois, o físico austríaco Wolfgang Pauli postulou a existência do neutrino, que era então considerado sem massa, e por décadas se considerou que o neutrino era a solução da equação de Dirac encontrada por Weyl.

Ocorre que os neutrinos só seriam identificados em 1957, pelos físicos norte-americanos Frederick Reines e Clyde Cowan. E numerosas experiências logo indicaram que eles poderiam ter massa. Mais 40 anos de tentativas de confirmação e, em 1998, o observatório Super-Kamiokande, no Japão, finalmente demonstrou que os neutrinos têm massa diferente de zero.

Isto reabriu as discussões longamente esquecidas: Qual seria então a solução de massa zero encontrada por Weyl?

A resposta acaba de ser encontrada simultaneamente por duas equipes internacionais, coordenadas por físicos das universidades de Princeton e MIT, nos Estados Unidos.

Férmions de Weyl

Ling Lu e seus colegas do MIT descobriram os pontos de Weyl não em aceleradores de partículas, mas em um material que eles próprios construíram: o cristal fotônico duplo-giroide. Os giroides são encontrados na natureza, em sistemas tão diferentes quanto asas de borboletas e ketchup. No entanto, o grupo precisava de um giroide duplo, com uma quebra de simetria muito específica, com peças interligadas e com defeitos inseridos ao acaso. Eles então tiveram que construir um

"Os pontos de Weyl realmente existem na natureza. Nós construímos um cristal fotônico duplo-giroide com simetria de paridade quebrada. A luz que passa através do cristal mostra a assinatura dos pontos de Weyl no espaço recíproco: duas bandas de dispersão linear tocando-se em pontos isolados," descreveu Lu.

Já a equipe de Princeton encontrou os férmions de Weyl dentro de um cristal metálico de arseneto de tântalo. Eles haviam publicado um artigo em Junho com a previsão teórica de que os pontos de Weyl poderiam ser encontrados nesse cristal. Agora, eles o sintetizaram e mostraram que sua teoria estava correta.

"Resolver este problema envolveu física teórica, química, ciência dos materiais e, mais importante, a intuição. Este trabalho mostra realmente por que a pesquisa é tão fascinante, porque ela envolve tanto pensamento racional, lógico, como iluminações e inspiração," disse Su-Yang Xu, primeiro autor do trabalho da equipe de Princeton.

Cristal artificial duplo-giroide construído pela equipe do MIT. [Imagem: Ling Lu et al. - 10.1126/science.aaa9273]

Melhor do que elétrons

Os férmions de Weyl têm sido extensivamente procurados pelos físicos porque eles são considerados como possíveis blocos fundamentais de outras partículas subatômicas, e são ainda mais básicos do que os onipresentes elétrons e sua carga negativa.

A sua natureza fundamental significa que os férmions de Weyl podem fornecer um transporte muito mais estável e eficiente do que os elétrons, que são a principal partícula por trás de toda a eletrônica moderna. Ao contrário dos elétrons, os férmions de Weyl não têm massa e possuem um elevado grau de mobilidade. Além disso, o spin dessa partícula pode estar tanto na mesma direção, quanto no sentido oposto do seu movimento.

"A descoberta dos pontos de Weyl [...] abre caminho para aplicações e fenômenos fotônicos absolutamente novos. Pense na revolução do grafeno: o grafeno é uma estrutura 2D, e suas propriedades eletrônicas são, em grande parte, uma consequência da existência de pontos de degenerescência lineares, conhecidos como pontos de Dirac. Materiais que contenham pontos de Weyl têm as mesmas propriedades em 3D. Eles literalmente adicionam um grau de liberdade, uma dimensão," comentou o professor Marin Soljacic, do MIT, cuja equipe ganhou destaque recentemente ao aprisionar a luz dentro de um cristal por mais de um minuto.

Monopolos topológicos

A estabilidade tridimensional dos pontos de Weyl deve-se ao fato de que eles são monopolos topológicos. Os monopolos podem ocorrer em duas variedades, positivos e negativos. Por analogia, os monopolos elétricos são cargas positivas e negativas simultaneamente, assim como os monopolos magnéticos são pólo norte e pólo sul ao mesmo tempo. Nos monopolos elétricos, a carga elétrica é conservada, portanto monopolos elétricos só podem ser criados ou aniquilados em pares.

O mesmo é verdadeiro para os monopolos topológicos: eles só podem aparecer ou desaparecer em pares, o que os torna especialmente robustos a perturbações. Ao contrário, os pontos Dirac do grafeno não são monopolos topológicos: eles são neutros, o que significa que eles não precisam de um companheiro para aparecer ou desaparecer, o que os torna muito mais instáveis.

"A física do férmion de Weyl é tão estranha, são tantas coisas surgindo desta partícula que não não somos sequer capazes de imaginar agora," disse o professor Zahid Hasan, coordenador da equipe de Princeton.

Bibliografia:

Discovery of a Weyl Fermion semimetal and topological Fermi arcs
Su-Yang Xu, Ilya Belopolski, Nasser Alidoust, Madhab Neupane, Guang Bian, Chenglong Zhang, Raman Sankar, Guoqing Chang, Zhujun Yuan, Chi-Cheng Lee, Shin-Ming Huang, Hao Zheng, Jie Ma, Daniel S. Sanchez, BaoKai Wang, Arun Bansil, Fangcheng Chou, Pavel P. Shibayev, Hsin Lin, Shuang Jia, M. Zahid Hasan
Science
Vol.: Published Onlin
DOI: 10.1126/science.aaa9297

Experimental observation of Weyl points
Ling Lu, Zhiyu Wang, Dexin Ye, Lixin Ran, Liang Fu, John D. Joannopoulos, Marin Soljacic
Nature Communications
Vol.: Published Online
DOI: 10.1126/science.aaa9273

A Weyl Fermion semimetal with surface Fermi arcs in the transition metal monopnictide TaAs class
Shin-Ming Huang, Su-Yang Xu, Ilya Belopolski, Chi-Cheng Lee, Guoqing Chang, BaoKai Wang, Nasser Alidoust, Guang Bian, Madhab Neupane, Chenglong Zhang, Shuang Jia, Arun Bansil, Hsin Lin, M. Zahid Hasan
Nature Communications
DOI: 10.1038/ncomms8373

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