Prémio Nobel

Prémio Nobel Física para estados exóticos da matéria

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David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz foram, esta terça-feira, galardoados com o Prémio Nobel da Física pela descoberta de transição de estados da matéria que não acontecem na natureza.

JONATHAN NACKSTRAND/AFP/Getty Images

A Real Academia das Ciências Sueca anunciou, esta terça-feira, os laureados para o Prémio Nobel da Física. O tema escolhido foi a transição da matéria para estados exóticos, ou seja, estados que não seriam expectáveis de encontrar na natureza. Estas descobertas são importantes para a mecânica quântica e para a construção de computadores quânticos, como admitiu o laureado Duncan Haldane aos jornalistas.

O prémio, no valor de oito milhões de coroas suecas (cerca de 834 mil euros), será atribuído metade a David Thouless (1934) e a outra metade para Duncan Haldane (1951) e Michael Kosterlitz (1942). Estes três cientistas britânicos descobriram novos estados de transição da matéria, com possíveis aplicações na eletrónica. Estudaram os supercondutores, os superfluidos e as finíssimas películas magnéticas.

E qual é o quarto estado da matéria?

O quarto estado natural da matéria é o plasma (um gás que em vez de um comportamento neutro tem cargas positivas e negativas e propriedades distintas dos outros estados da matéria).

Aprendemos, desde o ensino básico, que a matéria pode aparecer em três estados – gasoso, líquido e sólido – e que estes estados podem mudar de um para o outro consoante as condições do ambiente, como temperatura e pressão. Pensemos no vapor de água, na água líquida ou no gelo, que são todos estados da matéria (água) e que facilmente podemos fazer variar recorrendo apenas a alterações da temperatura. São três estados que podem existir na natureza – pelo menos, na Terra – e em três dimensões.

Mas as descobertas destes cientistas foram muito além disto, entraram no campo das transições da matéria que não acontecem naturalmente na natureza. Mais, como trabalham com camadas muito finas de materiais, as demonstrações feitas pelos cientistas aconteceram a duas dimensões.

Para conseguirem chegar a estes resultados, estes laureados recorreram a conceitos de topologia, uma área da Matemática que descreve as propriedades que apenas mudam passo a passo. A topologia descreve as propriedades que se mantém intactas mesmo depois de um objeto ser esticado ou deformado (mas não se este for “quebrado”).

Estados da Matéria_Nobel Física

Os quatro estados da matéria que acontecem na natureza (e a três dimensões): plasma, gasoso, líquido e sólido (do que requer maior temperatura, para o que requer menos). A estes adiciona-se os estados exóticos da matéria, como os condensados quânticos – Joahn Jarnestad/The Royal Swedish Academiy of Sciences

Nos anos 1970, Michael Kosterlitz e David Thouless conseguiram demonstrar que a supercondutividade e a superfluidez podiam acontecer em camadas muito finas, ao contrário do que se sabia até à altura, refere o comunicado de imprensa do Prémio Nobel. Estes dois cientistas mostraram como a supercondutividade podia acontecer a baixas temperaturas e explicaram porque é que a altas temperaturas a supercondutividade desaparece.

Nos anos 1980, David Thouless demonstrou que a condutividade, nestes materiais, poderia ser medida em passos integrais e que a sua natureza era topológica. Pela mesma altura, Duncan Haldane estudou matéria que forma filamentos tão finos que podem ser considerados unidimensionais. Mais, este investigador foi o primeiro a fazer uma previsão do que poderia ser um isolador topológico, abrindo portas à exploração destes materiais (fosse pela descoberta na natureza, fosse pela síntese).

O que David Thouless descreveu teoricamente usando a topologia, foi na verdade descoberto por Klaus von Klitzing, em 1980. Esta descoberta foi feita usando uma camada de condutor fina onde os eletrões eram arrefecidos quase até ao zero absoluto e sujeitos a um campo magnético forte e valeu ao físico alemão o Prémio Nobel da Física 1985.

[David Thouless e Michael Kosterlitz] levaram o problema das transições de fase para campos planos (o primeiro por curiosidade, o segundo por ignorância, como os próprios afirmam”, refere o comunicado do Prémio Nobel.

Vistas as coisas, é expectável que o que acontece a duas dimensões seja muito diferente do que acontece a três dimensões (como o mundo em que vivemos). Claro que os átomos em camada única (ainda que aos milhões) têm comportamentos diferentes dos átomos arranjados tridimensionalmente e só podem ser estudados pela Física Quântica. Mas, “no fundo, toda a matéria é governada pelas leis da Física Quântica”, lê-se num comunicado do Prémio Nobel. Ainda que a Física Quântica só se “veja” à micro-escala, torna-se visível perto do zero absoluto.

Os materiais topológicos e os computadores quânticos

Se tudo isto lhe parece muito confuso, retenha apenas que estas descobertas permitiram um grande avanço na investigação, nomeadamente nas novas gerações de eletrónicas e de supercondutores e – esperam os investigadores – na criação de computadores quânticos.

Esta é também a expectativa de Yasser Omar, coordenador do grupo de Física da Informação e Tecnologias Quânticas do Instituto Superior Técnico, que trabalha em computação quântica, e revela um interesse profundo pela “física fundamental associada a este prémio, que é muito bonita”.

Os materiais quânticos são assim chamados porque a temperaturas muito baixas têm um comportamento quântico. Mas, como vimos, próximo do zero absoluto, qualquer material tem o potencial de apresentar estas propriedades. A vantagem é que os materiais com propriedades topológicas são muito mais robustos aos efeitos do ambiente, ou seja, mesmo que as condições ambientais se alterem, as propriedades quânticas não são perdidas.

Encontrar materiais com propriedades topológicas apresenta um grande potencial para a construção de computadores quânticos. Espera-se que os computadores quânticos tenham processadores muito mais rápidos que os computadores convencionais, mas se os materiais usados nestes sistemas perderem as propriedades quânticastransformam-se num computador clássico, e perde-se toda a vantagem.

A existência destes materiais mais robustos em termos quânticos foi descoberta teoricamente pelos cientistas agora laureados e este tipo de materiais já foram observados em termos experimentais, refere Yasser Omar ao Observador. Talvez isso tenha valido para revalidar a importância deste Prémio Nobel.

“[Neste momento, e] já há vários anos que se estão a usar estes materiais supercondutores para protótipos quânticos”, reforça Yasser Omar. Para o investigador as aplicações, sobretudo “na área das tecnologias quânticas da informação, são promissoras, não só em termos de computadores, mas também de memórias quânticas, cruciais para o desenvolvimento de comunicações quânticas a longa distância.”

Curiosidades sobre o Nobel da Física:

109 Prémios Nobel da Física atribuídos entre 1901 e 2015
34 laureados trabalhavam em Física de Partículas
47 vezes o prémio foi atribuído a um único laureado
2 mulheres, apenas, foram galardoadas com este prémio – Marie Curie (1903) e Maria Goeppert-Mayer (1963)
1 única pessoa recebeu o Prémio Nobel da Física duas vezes – John Bardeen. Marie Curie também recebeu dois, mas um deles era da Química (1911)
25 anos era a idade do mais jovem laureado da Física de sempre – Lawrence Bragg (1915)
88 anos era a idade do mais mais velho laureado da Física – Raymond Davis Jr. (2002)
55 anos é a idade média dos laureados até ao momento
6 vezes ficaram por atribuir os Nobel da Física por não existirem trabalhos sob avaliação que cumprissem os parâmetros exigidos

Os Prémios Nobel, seja em que área for, são sempre alvo de especulação, expectativa e um certo sentido de justiça pelo trabalho desenvolvido. Duas das apostas deste ano recaíam sobre as ondas gravitações e a matéria escura. Os exoplanetas também eram uma possibilidade, mas os estados invulgares da matéria acabaram por ganhar este lugar de distinção.

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