Eletrons param de agir como partículas — e a física resiste

Um material quântico estranho, no qual os elétrons deixam de se comportar como partículas, revelou um segredo surpreendente: estados topológicos podem existir sem a presença de partículas definidas.

Essa descoberta mostra que a topologia é mais fundamental — e mais comum — do que os cientistas nunca imaginaram.

Quando os elétrons não são mais partículas

A física quântica já nos ensinou que partículas não se comportam como objetos sólidos com posições fixas. Elas agem mais como ondas, o que impede que suas posições exatas sejam determinadas com precisão. Apesar disso, em várias situações cotidianas, é possível descrever partículas de um jeito clássico familiar — como pequenos objetos com trajetória e velocidade definidas.

Esse modelo funciona bem, por exemplo, para explicar como a eletricidade flui pelos metais, onde os físicos imaginam elétrons acelerando dentro do material, guiados por forças eletromagnéticas.

Por que o modelo de partículas geralmente funciona

Muitas teorias modernas ainda se baseiam nessa visão, incluindo os estados topológicos da matéria — tão importantes que deram a seus descobridores o Prêmio Nobel de Física em 2016. Mesmo com toda a matemática complexa dessas teorias, elas assumem que os elétrons se comportam como partículas com movimento definido.

No entanto, pesquisas recentes indicam que essa perspectiva não é válida para todos os materiais. Em alguns sistemas, os elétrons deixam de agir como partículas individuais, com posição e velocidade claras.

Topologia sem partículas

Pesquisadores da TU Wien demonstraram que mesmo quando a imagem de partículas falha, os materiais podem continuar exibindo propriedades topológicas. Até agora, acreditava-se que essas propriedades dependiam do comportamento particulado dos elétrons.

Essa descoberta inesperada revela que os estados topológicos não estão restritos a sistemas onde os elétrons se comportam como partículas. Na verdade, são muito mais universais, incorporando conceitos antes considerados incompatíveis.

Quando a visão de partículas perde o sentido

“A visão clássica dos elétrons como pequenas partículas que colidem ao se mover num material conduzindo corrente elétrica é surpreendentemente robusta”, afirma a professora Silke Bühler-Paschen, do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. “Com certos ajustes, ela se aplica mesmo em materiais complexos onde os elétrons interagem fortemente entre si.”

Há, contudo, casos extremos onde essa descrição falha completamente. Nesses, os portadores de carga perdem sua natureza particulada. Um exemplo é o composto de cério, rutênio e estanho (CeRu₄Sn₆) estudado pelo grupo da TU Wien em temperaturas próximas do zero absoluto.

“Perto do zero absoluto, o material apresenta um comportamento quântico crítico específico”, explica Diana Kirschbaum, autora principal do estudo. “Ele oscila entre dois estados distintos, como se não conseguisse escolher qual deles adotar. Nesse regime flutuante, o modelo de quassi-partículas perde seu significado.”

Topologia explicada com pães e rosquinhas

Simultaneamente, trabalhos teóricos previram que esse mesmo material poderia abrigar estados topológicos. “O termo topologia vem da matemática e serve para distinguir certas estruturas geométricas”, explica Bühler-Paschen.

“Por exemplo, uma maçã é topologicamente equivalente a um pãozinho, porque o pãozinho pode ser deformado continuamente para a forma da maçã. Já o pãozinho é diferente da rosquinha, pois esta tem um furo que não pode ser criado por deformação contínua.”

Físicos usam ideias semelhantes para descrever estados da matéria. Propriedades como energia das partículas, velocidade e até a orientação do spin em relação ao movimento seguem padrões geométricos rigorosos. Esses padrões são surpreendentemente estáveis; pequenas imperfeições no material não os apagam, assim como pequenas mudanças de forma não alteram a equivalência topológica.

Matéria original: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/01/260115022758.htm