Um novo estudo liderado por Qimiao Si da Rice University revelou uma nova classe de metal crítico quântico, lançando luz sobre as intrincadas interações de elétrons dentro de materiais quânticos. Publicado em Cartas de revisão física em 6 de setembro, a pesquisa explora os efeitos do acoplamento Kondo e dos líquidos de spin quiral dentro de estruturas reticulares específicas.
“Os insights obtidos com essa descoberta podem levar ao desenvolvimento de dispositivos eletrônicos com extrema sensibilidade, impulsionados pelas propriedades únicas de sistemas quânticos críticos”, disse Si, professor de Física e Astronomia Harry C. e Olga K. Wiess e diretor da Extreme Quantum Materials Alliance da Rice.
Transições de fase quântica
No cerne desta pesquisa está o conceito de transições de fase quânticas. Assim como a água muda entre os estados sólido, líquido e gasoso, os elétrons em materiais quânticos podem mudar entre diferentes fases conforme seu ambiente muda. Mas, diferentemente da água, esses elétrons seguem as regras da mecânica quântica, levando a comportamentos muito mais complexos.
A mecânica quântica introduz dois efeitos principais: flutuações quânticas e topologia eletrônica. Mesmo no zero absoluto, onde as flutuações térmicas desaparecem, as flutuações quânticas ainda podem causar mudanças na organização dos elétrons, levando a transições de fase quântica. Essas transições geralmente resultam em propriedades físicas extremas conhecidas como criticidade quântica.
Além disso, a mecânica quântica dá aos elétrons uma propriedade única ligada à topologia, um conceito matemático que, quando aplicado a estados eletrônicos, pode produzir comportamentos incomuns e potencialmente úteis.
O estudo foi realizado pelo grupo de Si em uma colaboração de longo prazo com Silke Paschen, coautora do estudo e professora de física na Universidade de Tecnologia de Viena, e sua equipe de pesquisa. Juntos, eles desenvolveram um modelo teórico para explorar esses efeitos quânticos.
O modelo teórico
Os pesquisadores consideraram dois tipos de elétrons: alguns se movendo lentamente, como carros presos no trânsito, e outros se movendo rapidamente em uma faixa rápida. Embora os elétrons de movimento lento pareçam estacionários, seus spins podem apontar em qualquer direção.
“Normalmente, esses spins formariam um padrão ordenado, mas a rede que eles habitam em nosso modelo não permite tal organização, levando à frustração geométrica”, disse Si.
Em vez disso, os spins formam um arranjo mais fluido conhecido como líquido de spin quântico, que é quiral e escolhe uma direção no tempo. Quando esse líquido de spin se acopla aos elétrons em movimento rápido, ele tem um efeito topológico.
A equipe de pesquisa descobriu que esse acoplamento também desencadeia uma transição para uma fase Kondo, onde os spins dos elétrons lentos se prendem aos rápidos. O estudo revela a interação complexa entre a topologia eletrônica e as transições de fase quântica.
Transporte elétrico usual
À medida que os elétrons passam por essas transições, seu comportamento muda drasticamente, principalmente na forma como conduzem eletricidade.
Uma das descobertas mais significativas é sobre o efeito Hall, que descreve como uma corrente elétrica se curva sob a influência de um campo magnético externo, disse Paschen.
“O efeito Hall contém um componente que é habilitado pela topologia eletrônica”, ela disse. “Mostramos que esse efeito experimenta um salto repentino através do ponto crítico quântico.”
Implicações para a tecnologia futura
Esta descoberta avança nossa compreensão de materiais quânticos e abre novas possibilidades para tecnologia futura. Uma parte importante da descoberta da equipe de pesquisa é que o efeito Hall responde drasticamente à transição de fase quântica, disse Si.
“Graças à topologia, essa resposta acontece em um campo magnético minúsculo”, disse ele.
As propriedades incomuns podem levar ao desenvolvimento de novos tipos de dispositivos eletrônicos, como sensores com extrema sensibilidade, que podem revolucionar áreas como diagnóstico médico ou monitoramento ambiental.
Os coautores do estudo incluem Wenxin Ding, da Universidade de Anhui, na China, um ex-bolsista de pós-doutorado no grupo de Si na Rice, e a ex-aluna da Rice, Sarah Grefe ’17, da Universidade Estadual da Califórnia.
A pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, pela Fundação Robert A. Welch e por uma bolsa de estudos Vannevar Bush Faculty.
