A eletricidade alimenta a vida moderna, desde carros e telefones até computadores e quase todos os outros dispositivos dos quais dependemos. Funciona pelo movimento de elétrons viajando através de um circuito. Embora essas partículas pareçam muito pequenas, a corrente elétrica que elas criam flui através do fio de forma muito semelhante à água que se move através de um cano.
Em alguns materiais, no entanto, esse fluxo constante pode subitamente travar em padrões organizados semelhantes a cristais. Quando os elétrons se acomodam nesse sistema rígido, o material muda seu estado de matéria e deixa de conduzir eletricidade. Em vez de agir como um metal, comporta-se como um isolante. Este comportamento incomum fornece aos cientistas informações valiosas sobre como os elétrons interagem e abriu a porta para avanços em supercondutores de alto desempenho usados em computação quântica, energia e imagens médicas, sistemas de iluminação inovadores e relógios atômicos altamente precisos.
Uma equipe de físicos da Florida State University, incluindo o pesquisador de pós-doutorado Dirac do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, Aman Kumar, o professor associado Hitesh Changlani e o professor assistente Cyprian Levandowski, identificaram agora as condições específicas que permitem a formação de um tipo especial de cristal de elétrons. Neste estado, os elétrons se organizam em uma rede sólida, mas podem migrar para uma forma mais fluida. Esta fase híbrida é chamada de cristal Wigner simples, e os resultados da equipe aparecem na NPJ Quantum Materials, uma publicação da Nature.
Como os elétrons formam cristais
Os cientistas sabem há muito tempo que os electrões em materiais bidimensionais finos podem ficar presos dentro dos cristais de Wigner, uma ideia proposta pela primeira vez em 1934. Experiências nos últimos anos identificaram estas estruturas, mas os investigadores não compreendem completamente como surgem quando efeitos quânticos adicionais são considerados.
“Em nossa pesquisa, determinamos quais ‘botões quânticos’ são necessários para desencadear essa transição de fase e obter um cristal Wigner típico, que usa um sistema moiré 2D e permite a criação de diferentes formatos de cristal, como listras ou cristais em favo de mel, em contraste com os cristais Wigner tradicionais que mostram apenas um cristal de treliça triangular. “
Para explorar essas condições, a equipe contou com ferramentas computacionais avançadas do Research Computing Center da FSU, uma unidade de serviços acadêmicos de Serviços de Tecnologia da Informação, bem como do programa ACCESS da National Science Foundation (um recurso avançado de computação e dados do Office of Advanced Cyberinfrastructure). Eles usaram métodos como inclinação exata, grupos de reconstrução de matriz de densidade e simulações de Monte Carlo para examinar como os elétrons se comportam sob diferentes condições.
Processando grandes 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 torna-se extremamente grande. Os pesquisadores usam algoritmos sofisticados para condensar e organizar esses dados esmagadores em redes que podem ser examinadas e interpretadas.
“Conseguimos simular os resultados experimentais com a nossa compreensão teórica do estado da matéria”, disse Kumar. “Conduzimos cálculos teóricos precisos usando cálculos de rede tensorial de última geração e deformação exata, uma poderosa técnica numérica usada em física para coletar detalhes sobre um hamiltoniano quântico, que representa a energia quântica total em um sistema. Através disso, podemos fornecer uma imagem de como eles se cristalizam e por que oscilam entre estados concorrentes fortes.”
Um novo híbrido: fase de pinball quântico
Ao estudar os cristais generalizados de Wigner, a equipe descobriu outro estado surpreendente da matéria. Nesta fase recém-identificada, os elétrons mostram comportamento isolante e condutor ao mesmo tempo. Alguns elétrons permanecem ancorados dentro da rede cristalina, enquanto outros se libertam e se movem por todo o material. Seu movimento lembra um pinball ricocheteando entre postes fixos.
“Esta fase do pinball é uma fase muito emocionante da matéria que observamos enquanto estudávamos os cristais generalizados de Wigner”, 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 este efeito mecânico quântico único foi observado e relatado para a densidade eletrônica que estudamos em nosso trabalho.”
Por que essas descobertas são importantes
Esses resultados ampliam a capacidade dos cientistas de compreender e controlar como a matéria se comporta no nível quântico.
“O que faz com que algo seja um isolante, um condutor ou um ímã? Podemos mudar algo para um estado diferente?” Lewandowski disse. “Queremos prever onde existem certas fases da matéria e como um estado pode fazer a transição para outro – quando pensamos em transformar um líquido num gás, estamos a rodar um botão de aquecimento para ferver a água e transformá-la em vapor. Acontece que existem outros botões quânticos que podemos usar para mudar os estados da matéria, o que poderá levar a uma investigação fascinante.”
Ao ajustar esses botões quânticos, ou escalas de energia, os pesquisadores podem empurrar os elétrons nesses materiais da fase sólida para a fase líquida. Compreender os cristais de Wigner e os seus estados relacionados poderia moldar o futuro das tecnologias quânticas, incluindo a computação quântica e a spintrónica – um campo de matéria condensada em rápido desenvolvimento que promete dispositivos nanoeletrónicos mais rápidos e eficientes, com menor consumo de energia e menores custos de fabrico.
A equipe pretende explorar ainda mais como os elétrons cooperam e influenciam uns aos outros em sistemas complexos. Seu objetivo é abordar questões fundamentais que podem, em última instância, impulsionar a inovação em tecnologias quânticas, supercondutoras e nucleares.
