What in the world is topological quantum matter? - Fan Zhang

Tradutor: ADRIANA MENOLI Revisor: Maricene Crus

What if electricity could travel forever without being diminished?

E se a eletricidade pudesse viajar eternamente sem ser diminuída?

What if a computer could run exponentially faster with perfect accuracy?

E se um computador tivesse total precisão à velocidade exponencialmente aumentada?

What technology could those abilities build?

Qual tecnologia essas habilidades poderiam construir?

We may be able to find out thanks to the work of the three scientists

Talvez possamos descobrir graças ao trabalho de três cientistas

who won the Nobel Prize in Physics in 2016.

que ganharam o Prêmio Nobel de Física em 2016.

David Thouless,

David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz

Duncan Haldane,

and Michael Kosterlitz won the award for discovering

ganharam o prêmio por descobrirem

that even microscopic matter at the smallest scale

que mesmo partículas microscópicas em escalas minúsculas

can exhibit macroscopic properties and phases that are topological.

podem apresentar propriedades macroscópicas e fases que são topológicas.

But what does that mean?

Mas o que isso significa?

Primeiramente, a topologia é um campo da matemática

First of all, topology is a branch of mathematics

that focuses on fundamental properties of objects.

que foca as propriedades fundamentais dos objetos.

As propriedades topológicas não mudam ao esticar ou dobrar um objeto aos poucos.

Topological properties don't change when an object is gradually stretched or bent.

The object has to be torn or attached in new places.

O objeto tem que ser rasgado ou fixado a novos lugares.

Uma rosquinha ou uma xícara de café parecem o mesmo para um topologista,

A donut and a coffee cup look the same to a topologist

because they both have one hole.

pois ambas têm um buraco.

You could reshape a donut into a coffee cup

Você poderia remodelar uma rosquinha numa xícara de café

and it would still have just one.

e ainda assim teria apenas um buraco.

That topological property is stable.

Essa propriedade topológica é estável.

On the other hand, a pretzel has three holes.

Por outro lado, um pretzel tem três buracos.

There are no smooth incremental changes that will turn a donut into a pretzel.

Não há mudanças complementares simples que tornem uma rosquinha num pretzel.

You'd have to tear two new holes.

Você teria que abrir dois novos buracos.

For a long time, it wasn't clear whether topology was useful

Por muito tempo, não se sabia se a topologia era útil

for describing the behaviors of subatomic particles.

para descrever comportamentos de partículas subatômicas.

That's because particles, like electrons and photons,

Isso porque partículas como elétrons e fótons,

are subject to the strange laws of quantum physics,

estão sujeitas às estranhas leis da física quântica,

which involve a great deal of uncertainty

que envolvem grande incerteza

that we don't see at the scale of coffee cups.

que não vemos na grandeza de xícaras de café.

But the Nobel Laureates discovered that topological properties

Mas os laureados do Nobel descobriram que as propriedades topológicas

do exist at the quantum level.

existem a nível quântico.

And that discovery may revolutionize materials science,

E essa descoberta poderá revolucionar a ciência dos materiais,

electronic engineering,

a engenharia elétrica e a ciência da computação.

and computer science.

Isso acontece porque essas propriedades emprestam estabilidade surpreendente

That's because these properties lend surprising stability

and remarkable characteristics to some exotic phases of matter

e características notáveis a algumas fases exóticas da matéria

in the delicate quantum world.

no delicado mundo quântico.

One example is called a topological insulator.

Um exemplo é chamado de isolante topológico.

Imagine uma película de elétrons.

Imagine a film of electrons.

If a strong enough magnetic field passes through them,

Se um campo magnético forte o suficiente passar por ele,

each electron will start traveling in a circle,

cada elétron irá começar a orbitar em círculo,

which is called a closed orbit.

o que é chamado de órbita fechada.

Because the electrons are stuck in these loops,

Devido ao fato dos elétrons estarem presos nessas voltas,

they're not conducting electricity.

eles não estão conduzindo eletricidade.

But at the edge of the material,

Mas, nas bordas do material,

the orbits become open, connected, and they all point in the same direction.

a órbita torna-se aberta, conectada, e todas apontam na mesma direção.

So electrons can jump from one orbit to the next

Então, elétrons podem saltar de uma órbita à outra

and travel all the way around the edge.

e viajar ao redor de toda a borda.

This means that the material conducts electricity around the edge

Isso significa que o material conduz eletricidade ao redor da borda,

but not in the middle.

mas não no meio.

Here's where topology comes in.

Aqui é quando topologia acontece.

This conductivity isn't affected by small changes in the material,

Essa condutividade não é afetada por pequenas mudanças no material,

like impurities or imperfections.

como impurezas ou imperfeições.

That's just like how the hole in the coffee cup

Assim como o buraco na xícara de café

isn't changed by stretching it out.

não muda ao ser esticado.

The edge of such a topological insulator has perfect electron transport:

A borda de tal isolante topológico tem um transporte perfeito de elétrons:

no electrons travel backward,

nenhum elétron viaja para trás,

no energy is lost as heat,

nenhuma energia é perdida como calor

and the number of conducting pathways can even be controlled.

e o número de caminhos condutores pode até mesmo ser controlado.

The electronics of the future could be built

Os eletrônicos do futuro poderiam ser construídos

to use this perfectly efficient electron highway.

para usar essa rodovia de elétrons perfeitamente eficiente.

The topological properties of subatomic particles

As propriedades topológicas de partículas subatômicas

could also transform quantum computing.

poderiam também transformar a computação quântica.

Quantum computers take advantage of the fact

Computadores quânticos se beneficiam do fato

that subatomic particles can be in different states at the same time

de que partículas subatômicas podem estar em estados diferentes ao mesmo tempo

to store information in something called qubits.

para armazenar informações em algo chamado bit quântico.

Esses bit quânticos podem resolver problemas exponencialmente mais rápidos

These qubits can solve problems exponentially faster

than classical digital computers.

do que os computadores digitais convencionais.

The problem is that this data is so delicate

O problema é esses dados são tão delicados

that interaction with the environment can destroy it.

que a interação com o meio ambiente pode destruí-los.

But in some exotic topological phases,

Mas em algumas fases topológicas exóticas,

the subatomic particles can become protected.

as partículas subatômicas podem se tornar protegidas.

In other words, the qubits formed by them

Em outras palavras, os bit quânticos formados por eles

can't be changed by small or local disturbances.

não podem ser modificados por distúrbios pequenos ou locais.

These topological qubits would be more stable,

Esses bit quânticos topológicos seriam mais estáveis,

leading to more accurate computation and a better quantum computer.

levando a um cálculo mais preciso e a um computador quântico melhor.

Topology was originally studied as a branch of purely abstract mathematics.

Topologia foi inicialmente estudada como um ramo da matemática puramente abstrata.

Thanks to the pioneering work of Thouless, Haldane, and Kosterlitz,

Graças ao trabalho pioneiro de Thouless, Haldane e Kosterlitz,

sabemos agora, que ela pode ser usada para entender os enigmas da natureza

we now know it can be used to understand the riddles of nature

and to revolutionize the future of technologies.

e revolucionar o futuro das tecnologias.