(dr) Robert Strasser, Kees Scherer / Michael Büker
Um efeito exótico na física de partículas, que, conforme a teoria, ocorre em imensos campos gravitacionais – próximo a um buraco negro, ou em condições como a que decorreram logo após o Big Bang – foi observado em uma massa material dentro de um laboratório.
Uma equipe liderada pelo físico Johannes Gooth, da IBM Research, perto de Zurique, na Suíça, afirma ter visto evidências de um efeito previsto há muito tempo, chamado de anomalia gravitacional axial.
Esse efeito confirma que grandes campos gravitacionais – que a relatividade geral descreve como o resultado de enormes massas que curvam o espaço-tempo – devem destruir a simetria de tipos particulares de partículas que geralmente se produzem em pares de imagens espelhadas, criando mais de uma partícula e menos de outras.
Os tipos de condições necessárias para comprovar essa ruptura incomum de uma “lei de conservação” fundamental não podem ser criados em um laboratório. Mas os pesquisadores exploraram um paralelo peculiar entre gravidade e temperatura para criar um laboratório análogo à anomalia em cristais de fosforeto de nióbio.
“Esta anomalia é tão difícil de medir que até mesmo a evidência indireta representa um grande avanço”, diz um membro da equipe, Adolfo Grushin, da Universidade da Califórnia, em Berkeley.
Dentro do cristal, o efeito é como se uma desenho que traçasse pares de luvas de repente adquirisse um excesso de luvas destras porque alguns dos ilustradores trocaram a mão principal com que desenham.
O resultado, publicado na revista Nature, reforça uma visão emergente de que os materiais quânticos – cristais cujas propriedades são dominadas por efeitos mecânicos quânticos – podem atuar como bancos experimentais de testes para efeitos físicos que só poderiam ser vistos em circunstâncias exóticas.
Quasipartículas e materiais quânticos
As partículas afetadas pela anomalia são conhecidas como férmions de Weyl, propostas na década de 1920 pelo matemático Hermann Weyl. Estas diferem de outros tipos de férmions (como o elétron) porque parecem não ter massa, e porque também têm um tipo de mão dominante, ou quiralidade.
Os férmions de Weyl nunca foram vistos como entidades físicas individuais – embora se pense que eles possam estar envolvidos de modo fugaz no decadência de outros tipos de partículas. Mas eles foram vistos como “quasipartículas” dentro de alguns cristais.
Nestes materiais, os efeitos mecânicos quânticos fazem com que os elétrons de um material se movam de modo que seu comportamento coletivo se pareça com o dos férmions de Weyl. Os férmios quirais de Weyl geralmente são produzidos em números iguais, como pares de imagens espelhadas.
Em 2015, os pesquisadores mostraram que campos magnéticos e elétricos mais fortes poderiam romper essa simetria dentro de um material quântico conhecido como Dirac semimetal – reivindicando um efeito longamente previsto na física de alta energia, chamado anomalia axial (ou quiral).
Agora, a equipe de Gooth confirmou que a gravidade – ou a curvatura do espaço-tempo – também pode destruir essa simetria.
Para isso, eles dependeram de uma conexão entre os efeitos gravitacionais e de temperatura, que determina que o efeito da curvatura espaço-tempo nos férmions de Weyl equivale matematicamente ao efeito de um gradiente de temperatura.
Em outras palavras, a anomalia também deve surgir se uma parte de um material em que os férmions de Weyl aparecem for mais quente do que outra.
O motivo “está enraizado na famosa equação de Einstein: E = mc²”, explica Gooth. “Na teoria relativística do campo quântico, os fluxos de energia e massa se tornam os mesmos. O fluxo de massa é conduzido por gradientes de campo gravitacional e o de energia, por sua vez, segue gradientes de temperatura. O gradiente de temperatura para os férmions de Weyl relativistas imita, assim, um gradiente de campo gravitacional”, diz ele.
Os pesquisadores mediram a condutividade de seu fosfito de nióbio cristalino – que é conhecido como um semimetrado de Weyl – em um circuito microeletrônico. Quando aplicaram um gradiente térmico e um campo magnético, observaram uma corrente elétrica induzida criada por um desequilíbrio nos dois tipos de férmions de Weyl: o número de quasipartículas canhotas movendo-se em uma direção através da amostra não era o mesmo que o número de destras movendo-se na direção oposta.
Além disso, “o comportamento da corrente enquanto mudamos o campo magnético é exatamente o que a teoria da anomalia gravitacional axial prediz”, diz Grushin.
Evidência convincente
Nem todos estão convencidos de que os pesquisadores de fato observaram o que eles afirmam. Boris Spivak, físico da Universidade de Washington em Seattle, insiste em que a anomalia gravitacional axial simplesmente não existe nos semimetais de Weyl.
Um gradiente de temperatura, ele diz, não pode induzir os elétrons a se converter entre as duas quasipartículas de formas diferentes.
“Existem muitos outros mecanismos que podem explicar esses resultados”, diz Spivak. Ele acha que os pesquisadores estão apenas medindo o impacto de um campo magnético no já bem conhecido efeito termoelétrico, no qual as correntes elétricas são produzidas por gradientes de temperatura.
Mas Gooth e seus colegas discordam da avaliação. Eles dizem que a existência da anomalia quiral induzida pela temperatura é fortemente apoiada pelas teorias existentes.
Subir Sachdev, especialista em efeitos quânticos sobre materiais de estado sólido na Universidade de Harvard em Cambridge, Massachusetts, diz que os pesquisadores têm “provas convincentes das consequências físicas da anomalia gravitacional axial”.
A existência da anomalia não estava realmente em dúvida, acrescenta Sachdev, mas “é bom ver isso surgir em materiais reais”. Ele diz que o resultado confirma que a gravidade interage com os campos quânticos da maneira indicada pelas teorias de Einstein sobre a relatividade.
Grushin suspeita que entender como esta anomalia se manifesta nesses materiais deve conduzir a uma nova era na física. E a IBM também espera que a descoberta possa ser explorada no conhecimento eletrônico, pois ela gera uma corrente elétrica dentro do cristal de fosforeto de nióbio.
“Os dispositivos que exploram a anomalia podem melhorar a eficiência de materiais capazes de gerar energia elétrica a partir de gradientes de temperatura”, diz Gooth.
// HypeScience
