Nobel da Física leva-nos até aos estados exóticos da matéria

Novos materiais, novos supercondutores, computadores incrivelmente rápidos – eis algumas aplicações possíveis da física por trás do prémio deste ano. Há três galardoados.

Os três premiados com o Nobel da Física de 2016
Os três premiados com o Nobel da Física de 2016 JONATHAN NACKSTRAND/AFP
John Michael Kosterlitz, da Universidade
John Michael Kosterlitz, da Universidade RONI REKOMAA/APF
Duncan Haldane, da Universidade de Princeton, EUA
Duncan Haldane, da Universidade de Princeton, EUA Dominic Reuter/Reuters
David James Thouless, da Universidade de Washington, EUA
David James Thouless, da Universidade de Washington, EUA Universidade de Washington/AFP
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O Prémio Nobel da Física de 2016, anunciado esta terça-feira, leva-nos numa viagem até aos estados exóticos da matéria. Até ao mundo das temperaturas muito baixas (muito para lá dos zeros graus Celsius) e de átomos em películas tão finas que estão quase só numa ou em duas dimensões. Neste mundo da matéria fria, o que acontece? Será que a matéria muda de estado ou, como dizem os físicos, há transição de fases?

No mundo que todos conhecemos, vemos que as moléculas da água, por exemplo, podem estar no estado gasoso, líquido ou sólido. E que, às temperaturas que nós próprios podemos suportar, as moléculas de água passam de um estado para o outro. Ou seja, ocorre a tal transição de fases. Mas os três premiados com o Nobel da Física deste ano – os britânicos David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz, todos físicos teóricos a trabalhar nos EUA – ajudaram-nos a compreender o que se passa com a matéria a temperaturas muito baixas, perto do chamado “zero absoluto” (que é de 273 graus Celsius negativos), e em sistemas com uma ou duas dimensões.

Até às suas investigações, nas décadas de 70 e 80, achava-se que nada acontecia nesses mundos da matéria fria com menos de três dimensões (comprimento, altura e largura). Que não havia transição de fases. David Thouless (da Universidade de Washington em Seattle), Duncan Haldane (da Universidade de Princeton) e Michael Kosterlitz (da Universidade de Brown) viram que sim, que a matéria mudava de estado. E que tinha propriedades físicas bizarras. Esta mudança chama-se “transição de fase topológica”.

“Ninguém tinha considerado essa possibilidade”, explica-nos Pedro Sacramento, físico da matéria condensada no Instituto Superior Técnico, em Lisboa. “Essa ideia nova não estava em desacordo com a teoria anterior. O que adicionou foi mais uma via”, acrescenta.

“Pelas descobertas teóricas das transições de fase topológicas e fases topológicas da matéria”, a Real Academia Sueca das Ciências atribui-lhes agora o Nobel da Física. Os três cientistas vão receber ao todo 833.000 euros. Metade irá para David Thouless e a outra metade para Michael Kosterlitz e Duncan Haldane.

“Fiquei muito surpreendido e satisfeito. Só agora é que há um número tremendo de novas descobertas com base no trabalho inicial. Isto ensinou-nos que a mecânica quântica se pode comportar de uma forma muito mais estranha do que poderíamos adivinhar”, disse Duncan Haldane ao telefone durante o anúncio do prémio, citado pelo site Physics World. “Era apenas um modelo que demonstrava algo… E como muitas descobertas, tropeça-se nelas e é preciso perceber que há uma coisa interessante ali.”

Regressando um pouco atrás, as mudanças de estado da matéria no nosso quotidiano são bem conhecidas. Os físicos sabem que as moléculas da água, por exemplo, estão organizadas de formas diferentes consoante a temperatura (e a pressão). No estado sólido, as moléculas de água encontram-se ligadas umas às outras, enquanto no líquido estão aos trambolhões. E que no estado gasoso ficam ainda mais soltas. Estes saltos entre fases ocorrem de forma brusca, quando a temperatura muda (basta pensar numa panela com água a ferver).

Também já se sabia que, perante temperaturas muito baixas, a matéria podia ganhar propriedades físicas invulgares. É o caso do hélio-4, que a 271 graus Celsius negativos se comporta como um superfluido, perdendo a viscosidade. Há vídeos incríveis que mostram que hélio líquido num frasco, quando arrefecido até àquela temperatura extrema, começa a subir pelas paredes do recipiente. As experiências da superfluidez do hélio-4 foram realizadas nos 30 pelo russo Pyotr Kapitsa e valeram-lhe o Nobel da Física em 1978, década em que David Thouless e Michael Kosterlitz começaram os seus trabalhos.

Os dois físicos teóricos começaram a trabalhar juntos em Birmingham, no Reino Unido. “O que fizeram, através do pensamento, usando a matemática, foi ver como é que a matéria se comportava em situações extremas”, diz o físico Carlos Fiolhais, da Universidade de Coimbra. Mais concretamente, pensaram nas mudanças das propriedades da matéria não só quando ela é submetida a temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto, mas também quando está a duas dimensões. Por outras palavras ainda, num mundo plano. E o que acontece então?

“A transição de fase topológica não é uma transição de fase vulgar, como entre o gelo e a água líquida. Num material plano, o papel principal na transição topológica é desempenhado por pequenos vórtices”, lê-se no comunicado da Real Academia Sueca das Ciências. Pode-se dizer que estes vórtices são formados por pequenos ímanes dos átomos que estão orientados de determinadas formas. “A temperaturas baixas os vórtices estão juntos aos pares. Quando a temperatura aumenta, ocorre a transição de fase: subitamente, os vórtices afastam-se um do outro e navegam pelo material”, acrescenta o comunicado. Esta proposta teórica foi demonstrada mais tarde, em experiências.

Mas se esta parte do trabalho de David Thouless e Michael Kosterlitz foi teórica, a investigação que se seguiu também premiada pelo Nobel teve origem em observações. Em 1980, o físico alemão Klaus von Klitzing descobriu (em experiências numa fina camada condutora de electricidade entre dois materiais semicondutores) que os electrões têm um comportamento também estranho a baixas temperaturas. Esta camada fininha é submetida a um campo magnético. Ao variar este campo magnético, a sua condutância eléctrica sofre alterações em “degraus” e não gradualmente, como seria esperado.

Na altura, a física teórica não tinha explicação para o que Klaus von Klitzing tinha observado. Mas David Thouless e Duncan Haldane conseguiram explicar fenómeno a nível teórico, socorrendo-se de um ramo da matemática, a topologia – que estuda as propriedades que permanecem intactas de um objecto quando é esticado, dobrado e deformado. E aplicaram esses métodos para descrever os saltos, ou degraus, que tinham sido observados nos valores da condutância eléctrica.

Que aplicações pode ter esta área da física, evoluiu bastante nas últimas décadas? Pode ter em novos materiais, novos supercondutores ou na criação de computadores quânticos com capacidades de cálculo imensas. Os cientistas designam estas tecnologias do futuro como “novos materiais topológicos”.

“A mente vai primeiro e depois lá vai o corpo atrás”, diz Carlos Fiolhais, resumindo o caminho desta e de outras descobertas que começam com cientistas teóricos, são comprovadas em experiências nos laboratórios e acabam no nosso quotidiano em diversas tecnologias, mesmo que isso demore. “Muitas vezes, surgem aplicações ao fim de 40 ou 50 anos.”

nicolau.ferreira@publico.ptteresa.firmino@publico.pt