A Superfluid at All Temperatures

No mundo da matéria, o calor é geralmente um disruptor. Quando você aquece um sólido, seus átomos agitam-se com mais força até que a estrutura ordenada colapse em um líquido caótico. Quando você aquece um ímã, as minúsculas setas atômicas que apontam em uníssono eventualmente giram desordenadamente em todas as direções, apagando o campo magnético. Esta é a regra padrão da física: a ordem derrete em desordem conforme a temperatura aumenta. Na linguagem da física de partículas, isso é conhecido como restauração de simetria, onde as regras ocultas que governam o comportamento de um sistema tornam-se visíveis novamente à medida que a energia térmica sobrecarrega as forças que mantêm o sistema unido. Durante décadas, os físicos acreditaram que esta era uma lei universal, uma consequência fundamental de como a entropia, ou a medida da desordem, funciona na natureza. No entanto, um recente estudo teórico desafia essa certeza, propondo um estado de matéria que permanece espontaneamente ordenado não importa o quão quente fique.

Os pesquisadores, trabalhando dentro da estrutura da teoria de campos quânticos, construíram um modelo matemático específico de um universo onde uma simetria global contínua é espontaneamente quebrada em qualquer temperatura. Este não é um cenário hipotético para uma estrela distante, mas uma demonstração rigorosa de que tal estado é possível dentro das leis conhecidas da física, desde que o sistema seja construído com os ingredientes certos. A equipe, liderada por Sven Harder e Adar Sharon na Universidade da Califórnia, Los Angeles, demonstrou que é possível projetar um sistema onde o próprio estado térmico prefere quebrar a simetria. Neste sistema, as partículas não perdem seu alinhamento quando aquecidas; em vez disso, o calor ajuda a manter a simetria quebrada. Esta descoberta derruba o pressuposto de longa data de que a alta temperatura deve sempre destruir a estrutura, revelando um novo tipo de estabilidade que existe no tecido matemático do universo.

Para entender como isso funciona, deve-se observar os blocos de construção que os pesquisadores utilizaram. Eles não inventaram novas partículas, mas sim organizaram tipos existentes de campos — descrições matemáticas de partículas como elétrons e portadores de força — em uma configuração específica. Eles criaram uma teoria envolvendo dois setores distintos, ou grupos de partículas, que interagem entre si de uma maneira precisa. Um setor é grande, contendo muitas partículas, enquanto o outro é pequeno. A chave para a descoberta reside em como esses dois grupos trocam sua energia e desordem. Em um sistema típico, aquecê-lo aumenta a desordem de todas as suas partes igualmente. Neste novo modelo, o grande setor atua como um reservatório de desordem. À medida que a temperatura aumenta, o grande setor torna-se cada vez mais caótico, absorvendo a entropia que normalmente interromperia o pequeno setor. Isso permite que o pequeno setor permaneça espontaneamente ordenado, efetivamente congelando seu alinhamento no lugar enquanto o resto do sistema ferve.

Os pesquisadores construíram este modelo usando um tipo de teoria conhecida como teoria de campo conforme, que descreve sistemas que parecem iguais em todas as escalas e não possuem tamanho ou massa inerentes. Esta escolha foi crucial porque remove as complicações de um corte de energia específico, permitindo que a teoria seja válida em qualquer temperatura, do zero absoluto ao calor mais intenso concebível. Eles começaram com uma classe conhecida de teorias que, em um limite simplificado, mostravam um círculo de estados estáveis possíveis. Nesta visão simplificada, uma parte desse círculo representava um estado ordenado que persistia em todas as temperaturas. O desafio era provar que esse estado ordenado poderia sobreviver quando a teoria fosse tornada mais realista, ao contabilizar o número finito de partículas em vez de uma idealização infinita.

Ao ajustar cuidadosamente o número de partículas e a força de suas interações, a equipe mostrou que o estado ordenado de fato sobrevive. Eles descobriram que o "círculo" matemático de possibilidades se quebra em alguns pontos específicos, e um desses pontos situa-se precisamente na região ordenada. Este ponto representa um estado estável onde as partículas formam um superfluido — uma substância que flui sem fricção e mantém um estado quântico coerente. Notavelmente, este estado de superfluido existe em todas as temperaturas. Para teorias individuais dentro de sua construção, a existência deste ponto fixo ordenado repousa em evidências numéricas, semelhante à forma como outros pontos fixos conhecidos são estabelecidos. No entanto, para uma família infinita dessas teorias, onde o número de partículas cresce, a existência do ponto fixo e da superfluidade está sob controle paramétrico estrito, o que significa que os resultados são confiáveis e não dependem de aproximações não comprovadas.

As implicações desta descoberta estendem-se além da teoria abstrata. Os pesquisadores mostraram que, se este estado de superfluido fosse acoplado a um campo eletromagnético, ele se tornaria um supercondutor. Um supercondutor é um material que conduz eletricidade com resistência zero e expulsa campos magnéticos. Neste modelo, o estado supercondutor persistiria por uma faixa de temperaturas exponencialmente grande, muito além do que é visto em qualquer material conhecido na Terra. Isso sugere que o mecanismo para manter a ordem contra o calor não é apenas uma curiosidade matemática, mas uma propriedade fundamental que poderia, em princípio, ser realizada em um sistema físico. O estudo não afirma ter construído tal material em um laboratório, mas prova que as leis da física não o proíbem.

O mecanismo por trás deste fenômeno baseia-se em um equilíbrio sutil de forças. O sistema é projetado de modo que o custo de quebrar a ordem seja maior do que o benefício de ganhar desordem. Na linguagem da termodinâmica, o estado ordenado possui uma entropia maior do que o estado desordenado, o que é contraintuitivo. Normalmente, a natureza escolhe o estado com a maior entropia, que é o desordenado. Aqui, o arranjo específico das partículas significa que a configuração ordenada permite, de fato, mais maneiras de organizar o sistema de energia, tornando-a o estado preferido mesmo quando o sistema está quente. Isso é semelhante a como, em alguns casos raros, um sólido pode ter mais desordem do que um líquido, mas neste caso, acontece em um sistema quântico relativístico onde as regras são governadas pela interação entre números de partículas e forças de interação.

Os pesquisadores também abordaram potenciais objeções de que correções de ordem superior, ou interações mais complexas, poderiam destruir este equilíbrio delicado. Eles mostraram que a estabilidade do estado ordenado é protegida pela própria estrutura da teoria. As correções que poderiam potencialmente interromper a ordem são suprimidas pelo grande número de partículas no sistema, tornando-as negligenciáveis. Isso garante que a conclusão seja verdadeira não apenas em uma aproximação simplificada, mas na teoria completa e complexa. O trabalho fornece um exemplo concreto de uma teoria unitária e local em quatro dimensões — uma teoria que respeita os princípios fundamentais da causalidade e da probabilidade — onde uma simetria contínua é espontaneamente quebrada em todas as temperaturas.

Esta descoberta remodela nossa compreensão das transições de fase. Ela demonstra que o derretimento da ordem não é uma consequência inevitável do aquecimento, mas um resultado dos detalhes específicos do sistema. Ao ajustar o número de tipos de partículas e suas interações, pode-se criar um sistema onde o calor reforça a ordem em vez de destruí-la. O estudo abre as portas para explorar outros estados exóticos de matéria que podem existir nos ambientes de alta energia do universo primitivo ou nos núcleos de estrelas de nêutrons, onde as temperaturas são extremas. Embora as teorias específicas construídas pelos autores sejam modelos matemáticos, elas servem como uma prova de conceito de que o universo pode sustentar fases da matéria que desafiam nossa intuição cotidiana sobre calor e desordem.

O trabalho é um testemunho do poder da física teórica em explorar os limites do que é possível. Ao construir estes modelos, os pesquisadores mostraram que o panorama da realidade física é mais rico e variado do que se pensava anteriormente. Eles identificaram um caminho onde a energia caótica do calor pode ser aproveitada para sustentar um fluxo perfeito e sem fricção, um estado que permanece estável do frio extremo ao calor extremo. Isto não é uma previsão de um novo material a ser encontrado em uma loja, mas um insight fundamental sobre as regras que governam o universo, revelando que a ordem pode ser o estado mais natural de todos, mesmo diante do fogo.