Do universo quântico ao mundo científico

A Universidade Estadual de Londrina é a única instituição no país que desenvolve pesquisas em simetrias generalizadas, de acordo com o professor Pedro Rogério Sergi Gomes, do Departamento de Física, e coordenador de um projeto que reúne vários pesquisadores. Simetrias generalizadas são um dos assuntos mais efervescentes da física teórica contemporânea. São estudos que representam não apenas o avanço no entendimento da Teoria Quântica de Campos, como sinalizam descobertas de novos aspectos e novas aplicações.

Em sua terceira versão contemplada com Bolsa Produtividade do CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico), o projeto de pesquisa, intitulado “Simetrias Generalizadas em Teoria de Campos e Matéria Condensada”, debruça-se sobre um campo da Física aberto há pouco mais de uma década. O coordenador, que vinha de uma trajetória de estudos da Teoria Quântica dos Campos, adentrou na Física da Matéria Condensada para investigar as simetrias generalizadas em fases exóticas da matéria.

Para entender do que se trata, é instrutivo contrastar com fases ordinárias da matéria, como um fluido simples e um cristal. Podemos distinguir essas fases por meio da observação (microscópica) de uma pequena porção do material. “No caso de um cristal, veremos uma estrutura em que os átomos possuem uma certa organização espacial periódica, levando a uma noção de ordenamento. Por outro lado, em um fluido, veremos as moléculas em constante movimento aleatório, levando à noção de desordem”, explica o professor. Essa diferença de fases de acordo com ordem e desordem pode ser caracterizada quantitativamente em termos de simetrias. A mudança de uma fase desordenada para uma fase ordenada (transição fluido-cristal) é conhecida como quebra espontânea de simetria.

Efeito Hall

Fases exóticas da matéria foram descobertas a partir do estudo do efeito Hall quântico, constituído de um conjunto de elétrons que se movem em uma superfície bidimensional, na presença de um campo magnético intenso e baixas temperaturas. Embora a configuração física seja simples, os fenômenos resultantes são surpreendentes, e reflete o caráter intrinsecamente quântico do sistema. Em particular, o efeito Hall exibe fases que não podem ser distinguidas por simetrias, como no caso de um fluido e um cristal. O efeito Hall representa um estado novo da matéria, podendo ser pensado como uma espécie de “fluido quântico com ordem interna”.

Desde então, diversas outras fases exóticas foram concebidas tanto experimentalmente quanto teoricamente, como os líquidos quânticos de spin e os supercondutores topológicos. Mais recentemente, um tipo ainda mais incomum de fases exóticas, denominadas fases fractônicas, foram descobertas em certos modelos teóricos. “Essas fases possuem propriedades ainda mais intrigantes, como a existência de excitações que são totalmente desprovidas de movimento – os fractons. Em alguns modelos, as propriedades físicas são extremamente dependentes do número microscópico de constituintes, o que não acontece com nenhuma matéria ordinária: um cristal não muda suas propriedades físicas ao se adicionar um átomo a mais à sua extensão”, expõe o professor.