Mesmo para os padrões dos físicos quânticos, metais estranhos são simplesmente estranhos. Os materiais estão relacionados a supercondutores de alta temperatura e têm conexões surpreendentes às propriedades dos buracos negros.
Os elétrons em metais estranhos dissipam a energia o mais rápido possível sob as leis da mecânica quântica, e a resistividade elétrica de um metal estranho, diferente da dos metais comuns, é proporcional à temperatura.
Gerar uma compreensão teórica de metais estranhos é um dos maiores desafios da física da matéria condensada. Agora, usando técnicas computacionais de ponta, pesquisadores do Instituto Flatiron, na cidade de Nova York e da Universidade Cornell, resolveram o primeiro modelo teórico robusto de metais estranhos. O trabalho revela que metais estranhos são um novo estado da matéria, relatam os pesquisadores em 22 de julho no Proceedings da Academia Nacional de Ciências.
“O fato de chamá-los de metais estranhos deve dizer o quão bem os entendemos”, diz o co-autor do estudo, Olivier Parcollet, cientista sênior de pesquisa no Centro de Física Quântica Computacional do Instituto Flatiron. “Metais estranhos compartilham propriedades notáveis com buracos negros, abrindo novas direções interessantes para a física teórica”.
Além de Parcollet, a equipe de pesquisa consistiu no estudante de doutorado de Cornell Peter Cha, cientista de dados associado ao CCQ Nils Wentzell, diretor do CCQ Antoine Georges e professor de física de Cornell Eun-Ah Kim.
No mundo da mecânica quântica, a resistência elétrica é um subproduto de elétrons colidindo com as coisas. À medida que os elétrons fluem através de um metal, eles refletem outros elétrons ou impurezas no metal. Quanto mais tempo houver entre essas colisões, menor será a resistência elétrica do material.
Para metais típicos, a resistência elétrica aumenta com a temperatura, seguindo uma equação complexa. Porém, em casos incomuns, como quando um supercondutor de alta temperatura é aquecido logo acima do ponto em que para de supercondutor, a equação se torna muito mais direta. Num metal estranho, a condutividade elétrica está ligada diretamente à temperatura e a duas constantes fundamentais do universo: a constante de Planck e a constante de Boltzmann. Consequentemente, metais estranhos também são conhecidos como metais planckianos.
Modelos de metais estranhos existem há décadas, mas a resolução precisa desses modelos se mostrou fora do alcance dos métodos existentes. Os emaranhados quânticos entre elétrons significam que os físicos não podem tratar os elétrons individualmente, e o grande número de partículas em um material torna os cálculos ainda mais assustadores.
Cha e seus colegas empregaram dois métodos diferentes para resolver o problema. Primeiro, eles usaram um método de incorporação quântica baseado em idéias desenvolvidas por Georges no início dos anos 90. Com esse método, em vez de realizar cálculos detalhados em todo o sistema quântico, os físicos realizam cálculos detalhados em apenas alguns átomos e tratam o resto do sistema de maneira mais simples. Eles então usaram um algoritmo quântico de Monte Carlo (nomeado para o cassino do Mediterrâneo), que usa amostragem aleatória para calcular a resposta a um problema. Os pesquisadores resolveram o modelo de metais estranhos até o zero absoluto (menos 273,15 graus Celsius), o limite inferior inacessível para as temperaturas no universo.
O modelo teórico resultante revela a existência de metais estranhos como um novo estado da matéria que faz fronteira com duas fases anteriormente conhecidas da matéria: os espelhos giratórios isolantes Mott e os líquidos Fermi. “Descobrimos que existe uma região inteira no espaço de fase que exibe um comportamento planckiano que não pertence a nenhuma das duas fases pelas quais estamos em transição”, diz Kim. “Esse estado líquido de rotação quântica não é tão bloqueado, mas também não é totalmente gratuito. É um estado lento, cheio de sopa e lamacento. É metálico, mas relutantemente metálico, e está levando o grau de caos ao limite da mecânica quântica. ”
O novo trabalho pode ajudar os físicos a entender melhor a física dos supercondutores de temperatura mais alta. Talvez surpreendentemente, o trabalho tenha links para a astrofísica. Como metais estranhos, os buracos negros exibem propriedades que dependem apenas da temperatura e das constantes de Planck e Boltzmann, como a quantidade de tempo que um buraco negro ‘toca’ após se fundir com outro buraco negro. “O fato de você encontrar essa mesma escala em todos esses sistemas diferentes, de metais de Planck a buracos negros, é fascinante”, diz Parcollet.
Publicado em 24/07/2020 18h43
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