Na vida cotidiana, as transições de fase geralmente têm a ver com mudanças de temperatura – por exemplo, quando um cubo de gelo fica mais quente e derrete. Mas também existem diferentes tipos de transições de fase, dependendo de outros parâmetros, como o campo magnético. Para entender as propriedades quânticas dos materiais, as transições de fase são particularmente interessantes quando ocorrem diretamente no ponto zero absoluto da temperatura. Essas transições são chamadas de “transições de fase quântica” ou “pontos críticos quânticos”.
Esse ponto crítico quântico foi agora descoberto por uma equipe de pesquisa austro-americana em um material novo e em uma forma incomumente primitiva. As propriedades deste material estão agora sendo investigadas. Suspeita-se que o material possa ser um chamado semimetal de Weyl-Kondo, considerado de grande potencial para a tecnologia quântica devido aos estados quânticos especiais (os chamados estados topológicos). Se isso for verdade, uma chave para o desenvolvimento direcionado de materiais quânticos topológicos teria sido encontrada. Os resultados foram encontrados em uma cooperação entre a TU Wien, a Johns Hopkins University, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e a Rice University e agora foram publicados na revista Science Advances.
Criticidade quântica – mais simples e clara do que nunca
“Normalmente o comportamento crítico quântico é estudado em metais ou isoladores. Mas agora olhamos para um semimetal”, disse o Prof. Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. O material é um composto de cério, rutênio e estanho – com propriedades que ficam entre as dos metais e dos semicondutores.
Normalmente, a criticidade quântica só pode ser criada sob condições ambientais muito específicas – uma certa pressão ou um campo eletromagnético. “Surpreendentemente, no entanto, nosso semimetal acabou sendo crítico quântico sem nenhuma influência externa”, disse Wesley Fuhrman, um Ph.D. aluno da equipe do Prof. Collin Broholm na Universidade Johns Hopkins, que deu uma contribuição importante para o resultado com medições de espalhamento de nêutrons. “Normalmente você tem que trabalhar duro para produzir as condições de laboratório adequadas, mas este semimetal fornece a criticidade quântica por si só.”
Este resultado surpreendente provavelmente está relacionado ao fato de que o comportamento dos elétrons neste material possui algumas características especiais. “É um sistema de elétrons altamente correlacionado. Isso significa que os elétrons interagem fortemente entre si e que não é possível explicar seu comportamento olhando para os elétrons individualmente”, diz Bühler-Paschen. “Esta interação de elétrons leva ao chamado efeito Kondo. Aqui, um spin quântico no material é protegido por elétrons ao seu redor, de modo que o spin não tem mais efeito sobre o resto do material.” ‘
Se houver apenas relativamente poucos elétrons livres, como é o caso em um semimetal, o efeito Kondo é instável. Essa pode ser a razão para o comportamento crítico quântico do material: o sistema flutua entre um estado com e um estado sem o efeito Kondo, e isso tem o efeito de uma transição de fase à temperatura zero.
Flutuações quânticas podem levar a partículas de Weyl
A principal razão pela qual o resultado é de importância central é que se suspeita que ele esteja intimamente ligado ao fenômeno dos “férmions de Weyl”. Em sólidos, os férmions de Weyl podem aparecer na forma de quasipartículas – ou seja, como excitações coletivas, como ondas em um lago. De acordo com as previsões teóricas, tais férmions de Weyl deveriam existir neste material “, diz o físico teórico Qimiao Si, da Rice University. A prova experimental, no entanto, ainda não foi encontrada.” Suspeitamos que a criticidade quântica que observamos favorece a ocorrência de tal Weyl férmions “, diz Silke Bühler-Paschen.” Flutuações quânticas críticas poderiam, portanto, ter um efeito estabilizador sobre os férmions de Weyl, de forma semelhante às flutuações quânticas críticas em supercondutores de alta temperatura que mantêm pares de Cooper supercondutores juntos. Esta é uma questão fundamental que é o assunto de muitas pesquisas em todo o mundo, e nós descobrimos uma nova pista quente aqui. ”
Parece-nos que certos efeitos quânticos – a saber, flutuações quânticas críticas, o efeito Kondo e os férmions de Weyl – estão fortemente entrelaçados no material recém-descoberto e, juntos, dão origem a estados de Weyl-Kondo exóticos. Esses são estados “topológicos” de grande estabilidade que, ao contrário de outros estados quânticos, não podem ser facilmente destruídos por distúrbios externos. Isso os torna particularmente interessantes para computadores quânticos.
Para verificar tudo isso, outras medições sob diferentes condições externas devem ser realizadas. A equipe espera que uma interação semelhante dos vários efeitos quânticos também seja encontrada em outros materiais. “Isso poderia levar ao estabelecimento de um conceito de design com o qual esses materiais podem ser especificamente aprimorados, adaptados e usados para aplicações em concreto”, diz Bühler-Paschen.
Publicado em 25/05/2021 06h11
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