Físicos descobrem um novo estado quântico onde elétrons agitam-se livremente

Em alguns materiais, no entanto, esse fluxo constante pode de repente se organizar em padrões cristalinos. Quando os elétrons se acomodam nesses arranjos rígidos, o material passa por uma mudança em seu estado físico e deixa de conduzir eletricidade. Ao invés de agir como um metal, ele se comporta como um isolante. Esse comportamento incomum fornece aos cientistas valiosos insights sobre como os elétrons interagem e abriu caminho para avanços em computação quântica, supercondutores de alto desempenho utilizados em energia e imagens médicas, sistemas de iluminação inovadores e relógios atômicos extremamente precisos.

Um grupo de físicos da Universidade Estadual da Flórida, incluindo o Fellow Pós-Doutoral Dirac do National High Magnetic Field Laboratory, Aman Kumar, o Professor Associado Hitesh Changlani e o Professor Assistente Cyprian Lewandowski, identificou agora as condições específicas que permitem a formação de um tipo especial de cristal eletrônico. Neste estado, os elétrons se organizam em uma rede sólida, mas também podem se mover para uma forma mais fluida. Essa fase híbrida é chamada de cristal de Wigner generalizado, e as descobertas da equipe aparecem na npj Quantum Materials, uma publicação da Nature.

Como os Cristais de Elétrons se Formam

Os cientistas há muito sabem que os elétrons em materiais finos e bidimensionais podem se solidificar em cristais de Wigner, um conceito proposto pela primeira vez em 1934. Experimentos realizados nos últimos anos detectaram essas estruturas, mas os pesquisadores não tinham uma compreensão completa de como elas surgem quando efeitos quânticos adicionais são considerados.

“Em nosso estudo, determinamos quais ‘botões quânticos’ girar para acionar essa transição de fase e alcançar um cristal de Wigner generalizado, que utiliza um sistema moiré 2D e permite a formação de diferentes formas cristalinas, como padrões de listras ou cristais em forma de colmeia, ao contrário dos cristais de Wigner tradicionais que exibem apenas um cristal de rede triangular,” disse Changlani.

Para explorar essas condições, a equipe contou com ferramentas computacionais avançadas no Centro de Computação de Pesquisa da FSU, uma unidade de serviço acadêmico dos Serviços de Tecnologia da Informação, além do programa ACCESS da Fundação Nacional de Ciências (um recurso avançado de computação e dados sob o Escritório de Ciberinfraestrutura Avançada). Eles usaram métodos como diagonalização exata, grupo de renormalização da matriz de densidade e simulações de Monte Carlo para testar como os elétrons se comportam sob vários cenários.

Processando Enormes Quantidades de Dados Quânticos

A mecânica quântica atribui duas informações a cada elétron, e quando centenas ou milhares de elétrons interagem, a quantidade total de dados se torna extremamente grande. Os pesquisadores usaram algoritmos sofisticados para comprimir e organizar essa avalanche de informações em redes que poderiam ser examinadas e interpretadas.

“Podemos simular descobertas experimentais através de nossa compreensão teórica do estado da matéria,” disse Kumar. “Realizamos cálculos teóricos precisos usando cálculos de rede tensor e diagonalização exata, uma técnica numérica poderosa utilizada na física para coletar detalhes sobre um Hamiltoniano quântico, que representa a energia quântica total em um sistema. Através disso, podemos fornecer uma visão de como os estados cristalinos surgiram e por que são favorecidos em comparação a outros estados energeticamente competitivos.”

Um Novo Híbrido: A Fase do Pinball Quântico

Enquanto estudavam o cristal de Wigner generalizado, a equipe descobriu outro estado de matéria surpreendente. Nesta fase recém-identificada, os elétrons mostram simultaneamente comportamentos isolantes e condutores. Alguns elétrons permanecem fixos dentro da rede cristalina, enquanto outros se soltam e se movem pelo material. Seu movimento se assemelha a um pinball ricocheteando entre obstáculos estacionários.

“Essa fase do pinball é uma fase de matéria muito emocionante que observamos enquanto pesquisávamos o cristal de Wigner generalizado,” disse Lewandowski. “Alguns elétrons querem congelar e outros querem flutuar, o que significa que alguns são isolantes e outros conduzem eletricidade. Esta é a primeira vez que esse efeito quântico único foi observado e relatado para a densidade de elétrons que estudamos em nosso trabalho.”

Por Que Essas Descobertas São Importantes

Esses resultados expandem a capacidade dos cientistas de entender e controlar como a matéria se comporta em nível quântico.

“O que causa algo a ser isolante, condutor ou magnético? Podemos transformar algo em um estado diferente?” perguntou Lewandowski. “Estamos buscando prever onde certas fases da matéria existem e como um estado pode transmitir-se a outro — quando você pensa em transformar um líquido em gás, você imagina aumentar o botão de calor para fazer a água ferver em vapor. Aqui, descobrimos que há outros botões quânticos que podemos ajustar para manipular estados da matéria, o que pode levar a avanços impressionantes na pesquisa experimental.”

Ao ajustar esses botões quânticos, ou escalas de energia, os pesquisadores podem mover os elétrons de fases sólidas para líquidas dentro desses materiais. Compreender cristais de Wigner e seus estados relacionados pode moldar o futuro das tecnologias quânticas, incluindo computação quântica e spintrônica – uma área em rápida evolução da física da matéria condensada que promete dispositivos nanoeletrônicos mais rápidos e eficientes, com menor consumo de energia e custo de fabricação reduzido.

A equipe pretende explorar mais como os elétrons cooperam e influenciam uns aos outros em sistemas complexos. Seu objetivo é abordar questões fundamentais que podem, em última análise, impulsionar inovações em tecnologias quânticas, supercondutoras e atômicas.