Os físicos criaram um novo material ultrafino de duas camadas com propriedades quânticas que normalmente requerem compostos de terras raras. Este material, que é relativamente fácil de fazer e não contém metais de terras raras, pode fornecer uma nova plataforma para a computação quântica e avançar na pesquisa em supercondutividade não convencional e criticidade quântica.
Os pesquisadores mostraram que, partindo de materiais aparentemente comuns, um estado quântico radicalmente novo da matéria pode aparecer. A descoberta surgiu de seus esforços para criar um líquido quântico de spin que eles pudessem usar para investigar fenômenos quânticos emergentes, como a teoria de calibre. Isso envolve a fabricação de uma única camada de dissulfeto de tântalo atomicamente fino, mas o processo também cria ilhas que consistem em duas camadas.
Quando a equipe examinou essas ilhas, eles descobriram que as interações entre as duas camadas induziam um fenômeno conhecido como efeito Kondo, levando a um estado macroscopicamente emaranhado da matéria, produzindo um sistema de férmions pesados.
O efeito Kondo é uma interação entre impurezas magnéticas e elétrons que faz com que a resistência elétrica de um material mude com a temperatura. Isso faz com que os elétrons se comportem como se tivessem mais massa, fazendo com que esses compostos sejam chamados de materiais de férmions pesados. Este fenômeno é uma marca registrada de materiais que contêm elementos de terras raras.
Os materiais de férmions pesados são importantes em vários domínios da física de ponta, incluindo a pesquisa em materiais quânticos. “O estudo de materiais quânticos complexos é dificultado pelas propriedades de compostos que ocorrem naturalmente. Nosso objetivo é produzir materiais de design artificial que possam ser prontamente ajustados e controlados externamente para expandir a gama de fenômenos exóticos que podem ser realizados em laboratório”, diz o professor Peter Liljeroth.
Por exemplo, materiais de férmions pesados podem atuar como supercondutores topológicos, que podem ser úteis para construir qubits mais robustos a ruídos e perturbações do ambiente, reduzindo as taxas de erro em computadores quânticos. “Criar isso na vida real se beneficiaria enormemente de ter um sistema de material de férmion pesado que pode ser prontamente incorporado em dispositivos elétricos e ajustado externamente”, explica Viliam Va?o, estudante de doutorado no grupo de Liljeroth e autor principal do artigo.
Embora ambas as camadas do novo material sejam sulfeto de tântalo, há diferenças sutis, mas importantes, em suas propriedades. Uma camada se comporta como um metal, conduzindo elétrons, enquanto a outra camada tem uma mudança estrutural que faz com que os elétrons sejam localizados em uma rede regular. A combinação dos dois resulta no aparecimento de física de férmions pesados, que nenhuma das camadas exibe sozinha.
Este novo material de férmion pesado também oferece uma ferramenta poderosa para sondar a criticidade quântica. “O material pode atingir um ponto crítico quântico quando começa a se mover de um estado quântico coletivo para outro, por exemplo, de um ímã regular para um material de férmions pesado emaranhado”, explica o professor Jose Lado. “Entre esses estados, todo o sistema é crítico, reagindo fortemente à menor mudança e fornecendo uma plataforma ideal para projetar matéria quântica ainda mais exótica.”
“No futuro, exploraremos como o sistema reage à rotação de cada folha em relação à outra e tentaremos modificar o acoplamento entre as camadas para ajustar o material ao comportamento quântico crítico”, diz Liljeroth.
Publicado em 25/11/2021 10h46
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