A Universidade Estadual de Londrina é a única instituição no país que desenvolve pesquisas em simetrias generalizadas, de acordo com o professor Pedro Rogério Sergi Gomes, do Departamento de Física, e coordenador de um projeto que reúne vários pesquisadores. Simetrias generalizadas são um dos assuntos mais efervescentes da física teórica contemporânea. São estudos que representam não apenas o avanço no entendimento da Teoria Quântica de Campos, como sinalizam descobertas de novos aspectos e novas aplicações.

Em sua terceira versão contemplada com Bolsa Produtividade do CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico), o projeto de pesquisa, intitulado “Simetrias Generalizadas em Teoria de Campos e Matéria Condensada”, debruça-se sobre um campo da Física aberto há pouco mais de uma década. O coordenador, que vinha de uma trajetória de estudos da Teoria Quântica dos Campos, adentrou na Física da Matéria Condensada para investigar as simetrias generalizadas em fases exóticas da matéria.

Para entender do que se trata, é instrutivo contrastar com fases ordinárias da matéria, como um fluido simples e um cristal. Podemos distinguir essas fases por meio da observação (microscópica) de uma pequena porção do material. “No caso de um cristal, veremos uma estrutura em que os átomos possuem uma certa organização espacial periódica, levando a uma noção de ordenamento. Por outro lado, em um fluido, veremos as moléculas em constante movimento aleatório, levando à noção de desordem”, explica o professor. Essa diferença de fases de acordo com ordem e desordem pode ser caracterizada quantitativamente em termos de simetrias. A mudança de uma fase desordenada para uma fase ordenada (transição fluido-cristal) é conhecida como quebra espontânea de simetria.

Efeito Hall

Fases exóticas da matéria foram descobertas a partir do estudo do efeito Hall quântico, constituído de um conjunto de elétrons que se movem em uma superfície bidimensional, na presença de um campo magnético intenso e baixas temperaturas. Embora a configuração física seja simples, os fenômenos resultantes são surpreendentes, e reflete o caráter intrinsecamente quântico do sistema. Em particular, o efeito Hall exibe fases que não podem ser distinguidas por simetrias, como no caso de um fluido e um cristal. O efeito Hall representa um estado novo da matéria, podendo ser pensado como uma espécie de “fluido quântico com ordem interna”.

Desde então, diversas outras fases exóticas foram concebidas tanto experimentalmente quanto teoricamente, como os líquidos quânticos de spin e os supercondutores topológicos. Mais recentemente, um tipo ainda mais incomum de fases exóticas, denominadas fases fractônicas, foram descobertas em certos modelos teóricos. “Essas fases possuem propriedades ainda mais intrigantes, como a existência de excitações que são totalmente desprovidas de movimento – os fractons. Em alguns modelos, as propriedades físicas são extremamente dependentes do número microscópico de constituintes, o que não acontece com nenhuma matéria ordinária: um cristal não muda suas propriedades físicas ao se adicionar um átomo a mais à sua extensão”, expõe o professor.

Apesar das propriedades incomuns, os cientistas têm observado padrões no comportamento dessas fases da matéria, de modo que sua caracterização não se dá por meio de simetrias ordinárias, mas sim em termos de simetrias generalizadas. De forma ilustrativa, uma simetria generalizada difere de uma ordinária no sentido que ela não pode ser detectada observando apenas uma pequena porção do sistema, mas somente ao se considerar uma região estendida ao longo de uma ou mais dimensões. A descoberta de simetrias generalizadas é um dos principais avanços na caracterização das fases exóticas da matéria. O professor Gomes mostrou folhas e folhas de cadernos cheios de cálculos feitos para entender melhor o que acontece com um tipo exótico de fases com simetrias fractais.

Convergência

Um dos aspectos que tornam tais pesquisas interessantes para os cientistas é o fato de levarem a uma convergência de áreas da Física, como Física da Matéria Condensada, Teoria Quântica dos Campos, Computação Quântica e até mesmo da Matemática. Mais que isso, conforme o conhecimento se amplia, outras áreas podem se aproximar para investigar o objeto em seu próprio campo.

Gomes lembra que esse campo da Física já rendeu avanços impressionantes desde a descoberta do efeito Hall, reconhecidos inclusive com diversos Prêmios Nobel. É nesse contexto que as pesquisas na UEL estão inseridas. Gomes fala de pesquisas que mostram propriedades físicas “exuberantes”, no sentido de que não se encaixam no conhecimento estabelecido, desafiam os estudiosos ao mesmo tempo em que os encantam com a emoção das descobertas.

Publicações e eventos

As investigações feitas pelos pesquisadores da UEL estão devidamente formalizadas e registradas sob a forma de publicações e participações em eventos científicos de grande relevância. Desde 2017, ano do início da primeira versão do projeto com Bolsa Produtividade, dois a três artigos têm sido publicados em periódicos internacionais de forte impacto e projeção. Cabe destacar que Pedro Gomes foi o responsável pelo primeiro artigo introdutório sobre simetrias generalizadas publicado na literatura, em 2023, na revista SciPost. A exemplo dos demais, este trabalho gerou um número expressivo de citações.

A publicação mais recente saiu em janeiro deste ano, na Physical Review B, revista em que o professor Pedro Gomes publica regularmente. Em 2022, um outro estudo, de um então doutorando, rendeu um convite para um seminário na Universidade de Harvard. Também ano passado o coordenador do projeto participou de um evento em Abu Dhabi, capital dos Emirados Árabes.

Atualmente, o projeto conta com os docentes Paula Bienzobaz e Carlos Hernaski do Departamento de Física, uma estudante de graduação (bolsista de Iniciação Científica), dois mestrandos e quatro doutorandos.