Poucos exploradores mergulharam em mundos estranhos do que os três mais novos ganhadores do Prêmio Nobel, que acabaram de ganhar o Nobel de Física deste ano. Esses eminentes físicos foram honrados por seu trabalho em alguns dos mais exóticos estados da matéria, dando sentido a seus mistérios fundamentais e abrindo portas para a era atual de exploração e desenvolvimento de novos materiais como metais topológicos, isoladores e supercondutores.
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A Academia Real de Ciências da Suécia premiou o prêmio em conjunto com David J. Thouless, da Universidade de Washington, e a outra metade com F. Duncan M. Haldane, da Universidade de Princeton, e J. Michael Kosterlitz, da Brown University. para descobertas teóricas de transições de fase topológica e fases topológicas da matéria. ”Se isso soa abstrato para você, você não está sozinho: as conquistas dos vencedores foram tão esotéricas que um membro do comitê procurou demonstrá-las usando uma série de pães de café da manhã.
Sem nós, Haldane e Kosterlitz trabalham em uma parte surreal do mundo físico que pode ser descrita como "as planícies". Esse mundo é encontrado nas superfícies da matéria, ou dentro de camadas tão finas que elas são essencialmente bidimensionais; De fato, alguns trabalhos de Haldane enfocam fios tão finos que são basicamente unidimensionais. Aqui, a matéria assume algumas das formas mais estranhas.
Durante os anos 1970 e 1980, os cientistas revelaram segredos das formas estranhas encontradas neste reino, incluindo supercondutores, superfluidos e filme magnético fino. Esta manhã, o físico da Universidade de Estocolmo, Thors Hans Hansson, membro do Comitê Nobel de Física, explicou o conceito matemático elegante que eles usaram para as descobertas vencedoras do prêmio usando um pão de canela, um pãozinho e um pretzel.
Topologia é um sistema de matemática que se concentra em propriedades que mudam apenas por incrementos bem definidos. No exemplo do alimento de café da manhã de Hansson, o que é importante é que o pão não tem nenhum furo, o bagel tem um furo e o pretzel tem dois furos. “O número de buracos é o que o topologista chamaria de invariante topológico”, explicou Hansson na coletiva de imprensa. “Você não pode ter meio buraco, ou dois e dois terços de um buraco. Um invariante topológico só pode ter números inteiros ”.
Acontece que muitos aspectos da matéria exótica também aderem a esse conceito de um furo e dois furos.
Em 1982, Thouless usou essa ideia para explicar o misterioso efeito Hall quântico da condutância elétrica. Dentro de uma camada fina a temperaturas muito baixas e um campo magnético alto, descobriu-se que a condutância elétrica construía em unidades que podiam ser medidas com extrema precisão: primeiro nada, depois uma unidade e depois duas unidades. Thouless provou que os passos deste efeito podem ser explicados por um invariante topológico. Funcionou por múltiplos de um número inteiro, muito parecido com o número imutável de buracos no exemplo do café da manhã.
Em 1988, Duncan Haldane empurrou essa linha de pesquisa para uma nova fronteira, descobrindo que camadas finas de semicondutores podem abrigar o efeito Hall quântico mesmo sem um campo magnético.
A pesquisa dos laureados também revelou novas fases da matéria que podem ser vistas a temperaturas próximas do zero absoluto (-273 ° C). Em 1983, Haldane descobriu um conjunto de átomos magnéticos em uma cadeia - o primeiro tipo de nova matéria topológica já descoberta. Essa façanha lançou uma corrida em andamento para descobrir novas fases topológicas da matéria escondidas dentro de camadas, correntes e materiais tridimensionais comuns.
Essas descobertas podem hoje ser consideradas abstratas ou exóticas, mas podem um dia abrir caminho para a descoberta de materiais comuns e indispensáveis, diz Hansson. "O que é exótico para nós agora pode não ser tão exótico em 20 ou 30 anos", disse ele à jornalista Joanna Rose momentos após o anúncio. "A eletricidade era muito exótica quando surgiu pela primeira vez e não é mais tão exótica".
A topologia reformulou nossa compreensão tradicional de como a matéria muda. Geralmente, ocorre uma mudança de fase quando a temperatura muda, ou seja, quando a água congela. Mas em temperaturas extremamente frias, os estados familiares da matéria - gases, líquidos e sólidos - dão lugar a novas fases e comportamentos bizarros. Correntes elétricas podem fluir sem resistência, possibilitando o supercondutor. Novas fases materiais, como os superfluidos (pelos quais o russo Pyotr Kapitsa venceu o Prêmio Nobel de Física de 1978), podem girar em vórtices que nunca diminuem a velocidade.
Durante a década de 1970, Thouless e Kosterlitz descobriram uma maneira completamente nova em que a matéria pode passar de um estado a outro nessa área estranha - uma transição topológica impulsionada por pequenos vórtices, como pequenos tornados dentro do material plano. Em baixas temperaturas, os vórtices formam pares que, de repente, se separam uns dos outros para se desmembrarem quando a temperatura sobe para um ponto de transição.
Essa transição, apelidada de “transição KT”, tornou-se uma ferramenta revolucionária que permitiu aos cientistas estudar matéria condensada, física atômica e mecânica estatística.
Quando telefonou para a Academia, Haldane declarou-se surpreso e gratificado pela honra. "Este trabalho foi há muito tempo, mas é só agora que muitas novas descobertas que são baseadas neste trabalho original ... estão acontecendo agora", disse ele. Hansson ecoou esses pensamentos, observando que os cientistas de todo o mundo agora usam essas ferramentas para trabalhar em aplicações práticas em eletrônica, novos materiais e até componentes em um novo computador quântico.
Mas antes de mais nada, enfatizou Hansson, o prêmio era destinado a honrar a ciência excepcional. “Eles combinaram matemática bonita e insights profundos em física, alcançando resultados inesperados. É para isso que serve o prêmio ”, acrescentou ele. "É muito bonito e profundo."
