Conheça os exóticos metais quânticos críticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/12/2024

Nesses "metais estranhos", os elétrons têm um comportamento absolutamente anômalo, tanto individualmente quanto coletivamente.
[Imagem: Haoyu Hu et al. - 10.1038/s41567-024-02679-7]

Metais quânticos críticos

Físicos acreditam ter desvendado mais um detalhe crucial do comportamento enigmático dos chamados metais quânticos críticos, materiais que desafiam a física convencional porque se encontram em um estado da matéria tido como "exótico": Eles apresentam propriedades eletrônicas e magnéticas que flutuam entre diferentes estados, sem se fixar em um estado específico.

Há cerca de uma década, ao estudarem as transições de fase desses materiais exóticos, físicos descobriram uma relação surpreendente entre o magnetismo e a eletricidade, relação esta que tem tudo a ver com a supercondutividade, a condução de eletricidade sem resistência.

Os pesquisadores se debruçaram agora sobre os pontos críticos quânticos (PCQs), que podem ser entendidos com os "tijolos" dos metais quânticos críticos. Nesses pontos específicos de uma transição de fase, os materiais oscilam no limite entre as duas fases distintas, como o magnetismo e o não-magnetismo.

A chave para este estudo é a criticidade quântica, um estado delicado onde o material se torna ultrassensível às chamadas flutuações quânticas, distúrbios microscópicos que alteram o comportamento dos elétrons. E, como os elétrons passam a apresentar comportamentos coletivos, emergem "quasipartículas", entidades que representam esses comportamentos conjuntos.

Embora os metais comuns obedeçam a princípios bem estabelecidos, os metais quânticos críticos não gostam de obedecer a essas normas, apresentando propriedades estranhas e coletivas que há muito intrigam os cientistas. Os físicos chamam esses sistemas de "metais estranhos", o que é fácil de entender se levarmos em conta, por exemplo, que os metais estranhos conduzem a eletricidade como se ela fosse um líquido.

"Nosso trabalho investiga como as quasipartículas perdem sua identidade nos metais estranhos nesses pontos críticos quânticos, o que leva a propriedades únicas que desafiam as teorias tradicionais," contou o professor Qimiao Si, da Universidade Rice (EUA).

Ilustração dos pontos críticos quânticos (QCP).
[Imagem: Haoyu Hu et al. - 10.1038/s41567-024-02679-7]

Sumiço das quasipartículas

Neste caso, o termo quasipartículas representa o comportamento coletivo dos elétrons, agindo em conjunto como se fossem partículas individuais. Assim, essas quasipartículas desempenham um papel crucial na transferência de energia e de informação nos materiais.

No entanto, nos PCQs (pontos críticos quânticos), essas quasipartículas simplesmente desaparecem, um fenômeno conhecido como destruição de Kondo. Quando isso acontece, os momentos magnéticos do material cessam sua interação habitual com os elétrons, transformando dramaticamente a estrutura eletrônica do metal.

Esta mudança fica evidente quando se traça um mapa dos possíveis estados eletrônicos dentro de um material, mapa esse conhecido como superfície de Fermi. À medida que o sistema atravessa o PCQ, a superfície de Fermi muda abruptamente, alterando significativamente as propriedades do material.

O mapeamento feito neste estudo poderá ser usado para estudar vários outros sistemas.
[Imagem: Haoyu Hu et al. - 10.1038/s41567-024-02679-7]

Comportamento universal entre materiais

O estudo foi além dos materiais com elétrons excepcionalmente energéticos, incluindo também os óxidos de cobre e certos compostos orgânicos. Todos esses metais estranhos apresentam comportamentos que desafiam a tradicional teoria do líquido de Fermi, uma estrutura usada para descrever o movimento dos elétrons na maioria dos metais e que pode ser comparada a ver os elétrons como se fossem as moléculas da água. Em vez disso, porém, suas propriedades se alinham com constantes fundamentais, como a constante de Planck, que rege a relação quântica entre energia e frequência.

Os pesquisadores identificaram ainda uma condição chamada escala planckiana dinâmica, onde a dependência da temperatura das propriedades eletrônicas reflete fenômenos universais, como a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, um fenômeno astrofísico que registra uma espécie de "eco do Big Bang", e a radiação de corpo negro, que se aproxima do comportamento das estrelas. São interrelações de longo alcance, em uma escala inimaginável à primeira vista.

Esta descoberta ressalta um padrão organizacional compartilhado entre vários materiais quânticos críticos, oferecendo dicas importantes, por exemplo, para a criação de supercondutores avançados, que possam apresentar a ausência de resistência elétrica em temperaturas mais próximas da temperatura ambiente.

Metais estranhos: Quase todos os materiais envolvidos têm ligações com a supercondutividade.
[Imagem: Haoyu Hu et al. - 10.1038/s41567-024-02679-7]

Implicações mais amplas

As implicações da pesquisa estendem-se a outros materiais quânticos, incluindo os supercondutores à base de ferro e aqueles com estruturas reticuladas intrincadas. Um exemplo é o composto CePdAl (cério, paládio e alumínio), cujo comportamento eletrônico é ditado pela interação de duas forças concorrentes, o efeito Kondo e um tipo de interação magnética indireta que ocorre entre spins localizados em diferentes átomos de um metal ou liga metálica, conhecida como interação RKKY.

Observando como essas forças moldam o material nos PCQs pode ajudar a compreender melhor as transições em outros materiais correlacionados ou com relações intereletrônicas complexas.

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