Descoberta partícula, que pode revolucionar toda a tecnologia

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Imagem feita por detector
Em cima - A assinatura dos férmions de Weyl.
Em baixo - Os férmions de Weyl podem-se comportar tanto como monopólos, quanto como antimonopólos dentro de um cristal de arseneto de tântalo.
À direita - A previsão teórica feita pela equipa no mês passado. [Imagem: Su-Yang Xu/M. Zahid Hasan]

Matéria e anti-matéria

Duas equipas internacionais descobriram simultaneamente uma partícula sem massa teorizada em 1929.
Esta partícula pode dar origem a produtos "pós-eletrónicos", mais rápidos e mais eficientes - entenda-se, consumindo 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 fotónica (rumo aos processadores que funcionam com luz e aos computadores quânticos), mas também abre possibilidades para novas áreas de pesquisa ainda nem sequer imaginadas.
Para entender esta 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 para a mecânica quântica, agora conhecida como equação de Dirac.
A equação previa a possibilidade da existência da antimatéria dos electrões, os anti-electrões ou positrões, partículas com a mesma massa que os electrões, mas com carga oposta.
Em conformidade com a previsão da equação de Dirac, os positrões 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.
Numerosas experiências 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 equipas internacionais, coordenadas por físicos das universidades de Princeton e MIT, nos Estados Unidos.

Férmions de Weyl

Ling Lu e os seus colegas do MIT descobriram os pontos de Weyl, não em aceleradores de partículas, mas em um material que eles próprios construíram: o cristal fotónico duplo-giroide.
Os giroides são encontrados na natureza, em sistemas tão diferentes quanto as asas de borboletas e o ketchup.
"Os pontos de Weyl realmente existem na natureza.
Nós construímos um cristal fotónico 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 equipa 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 neste cristal.
Agora, eles o sintetizaram e mostraram que a sua teoria estava correcta.
"Resolver este problema envolveu física teórica, química, ciência dos materiais e, mais importante, a intuição.
Este trabalho mostra realmente porque 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.

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

Melhor do que os electrões

Os férmions de Weyl têm sido extensivamente procurados pelos físicos, porque eles são considerados como possíveis blocos fundamentais de outras partículas sub-atómicas, e são ainda mais básicos do que os omnipresentes electrões e sua respectiva carga negativa.
A sua natureza fundamental significa, que os férmions de Weyl podem fornecer um transporte muito mais estável e eficiente do que os electrões, que são a principal partícula por detrás de toda a electrónica moderna.
Ao contrário dos electrões, 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 direcção, quanto no sentido oposto do seu movimento.
"A descoberta dos pontos de Weyl [...] abre caminho para aplicações e fenómenos fotónicos absolutamente novos.
Pense na revolução do grafeno: o grafeno é uma estrutura 2D, e suas propriedades electrónicas são, em grande parte, uma consequência da existência de pontos de degenerescência linear, conhecidos como pontos de Dirac.
Materiais que contenham pontos de Weyl têm as mesmas propriedades em 3D.
Eles literalmente adicionam um grau de liberdade e uma dimensão," comentou o professor Marin Soljacic, do MIT, cuja equipa ganhou destaque recentemente ao aprisionar a luz dentro de um cristal por mais de um minuto.

Monopólos topológicos

A estabilidade tridimensional dos pontos de Weyl deve-se ao facto de que eles são monopólos topológicos.
Os monopólos podem ocorrer em duas variedades, positivos e negativos.
Por analogia, os monopólos eléctricos são cargas positivas e negativas simultaneamente, assim como os monopólos magnéticos são pólo norte e sul ao mesmo tempo.
Nos monopólos eléctricos, a carga eléctrica é conservada, portanto monopólos eléctricos só podem ser criados ou aniquilados em pares.
O mesmo é verdadeiro para os monopólos 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 monopólos 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 as coisas que surgem desta partícula, que não somos sequer capazes de imaginar o agora," disse o professor Zahid Hasan, coordenador da equipa de Princeton.