Cientistas da Caltech e da Universidade de Yale desenvolveram uma maneira de calcular com precisão o efeito Kondo em materiais reais específicos, o que não era possível antes. Durante décadas, os investigadores confiaram em grande parte em modelos simplificados que captam o fenómeno apenas aproximadamente. Em vez disso, a nova abordagem funciona diretamente a partir da estrutura atômica e eletrônica real de um material.
Este progresso poderia ajudar a preparar o caminho para simulações computacionais realistas de materiais quânticos mais complexos, incluindo supercondutores de alta temperatura. Nestes materiais, o comportamento de qualquer elétron é fortemente influenciado pelo trabalho realizado pelos elétrons próximos, tornando o sistema difícil de descrever com aproximações convencionais.
Os pesquisadores relatam sua metodologia e descobertas em um artigo publicado Ciência. Os autores principais são Linqing Peng (PhD ’25) e Tianyu Zhu da Universidade de Yale. Tanto Peng quanto Zhu começaram a trabalhar no projeto no laboratório de Garnett Chan, professor de Química Bren e diretor do Centro Rudolph A. Marcus de Química Teórica da Caltech.
“Agora é possível prever as propriedades de alguns materiais complexos através de cálculos sem referência a experiências”, diz Chan, autor sénior do artigo e investigador de física da Simons. “Os primeiros materiais que estudamos são como um pequeno passo ou protótipo de problema no caminho para fenômenos mais complexos, como supercondutores de alta temperatura e ímãs quânticos.”
O efeito Kondo – um desafio clássico de muitos corpos
Em muitos materiais utilizados na eletrônica moderna, incluindo semicondutores como o silício, as interações entre os elétrons são tão fracas que muitas vezes podem ser ignoradas ao descrever o comportamento geral do material. Isto não é verdade para materiais fortemente correlacionados, que são importantes para muitas tecnologias quânticas propostas. Nesses sistemas, é essencial compreender como os elétrons influenciam uns aos outros e como eles se dispersam.
O efeito Kondo aparece em um dos exemplos mais simples de sistema fortemente correlacionado. Isso ocorre quando um único átomo magnético, como ferro ou manganês, é colocado como impureza dentro de um metal como o cobre. Quando o material é resfriado abaixo de uma determinada temperatura (conhecida como temperatura de Kondo), seu comportamento elétrico muda de maneira incomum.
Normalmente, o resfriamento de um metal reduz continuamente sua resistência elétrica, permitindo que a corrente flua mais facilmente. Mas num metal contendo impurezas magnéticas, a resistência para de cair quando a temperatura Kondo é atingida. Atinge um mínimo e depois começa a aumentar novamente à medida que a temperatura continua a cair.
“Esta é a assinatura do efeito Kondo e é uma propriedade dos elétrons na impureza interagirem com os elétrons que viajam através do metal a granel”, explica Chan.
Os físicos desenvolveram o quadro teórico geral do efeito Kondo na década de 1970 (crucialmente, incluindo o ex-aluno Kenneth Wilson, PhD ’61). Este fenómeno tornou-se um exemplo clássico do problema dos muitos corpos porque exigia a descrição de um grande número de partículas em interação – neste caso, eletrões no metal – cujo comportamento não poderia ser compreendido simplesmente considerando uma de cada vez.
A impureza magnética contém elétrons desemparelhados cujo spin fornece magnetismo ao átomo. Em altas temperaturas, a direção dessa magnetização, conhecida como momento magnético do átomo, pode flutuar livremente. Contudo, à medida que o material esfria, os elétrons que se movem através do metal circundante começam a interagir fortemente com os spins da impureza.
Esses elétrons podem inverter seu próprio spin de maneiras que cancelam parcialmente o momento magnético do átomo incorporado. A dispersão adicional produzida por essas interações é responsável pelo achatamento específico e, em última análise, pelo aumento da resistência elétrica. À medida que mais e mais elétrons participam, eles cercam coletivamente a impureza e eventualmente mascaram seu magnetismo.
Com efeito, os elétrons circundantes formam uma nuvem que “protege” ou cancela o magnetismo do átomo.
Indo além dos modelos quânticos simplificados
O efeito Kondo tem sido extensivamente estudado porque, embora a sua física subjacente seja complexa, o problema básico é relativamente simples de descrever. Tornou-se, portanto, uma referência importante para testar novas técnicas teóricas e computacionais.
No entanto, até agora os investigadores não foram capazes de calcular de forma fiável como a resistência de um material real cai e sobe novamente, ou determinar a temperatura exacta a que essa mudança ocorre para uma impureza específica.
As abordagens tradicionais simplificam a estrutura electrónica de um material, reduzindo-a a um pequeno conjunto de orbitais – as posições em torno do núcleo de um átomo onde é mais provável encontrar electrões – e depois utilizam um modelo matemático aproximado para descrever o sistema mais pequeno.
Chan e seus colegas escolheram uma estratégia diferente. Eles pegaram ferramentas computacionais altamente precisas originalmente desenvolvidas na química quântica para descrever moléculas e as aplicaram a materiais quânticos. Isto permitiu aos investigadores representar impurezas magnéticas quase como se fossem moléculas, preservando ao mesmo tempo toda a complexidade das suas interacções electrónicas.
Previsões muito mais precisas para ingredientes reais
Os pesquisadores testaram seu método em sete átomos diferentes de metais de transição incorporados no cobre. Para a maioria dos elementos examinados, os seus cálculos foram até duas ordens de grandeza mais precisos do que as previsões obtidas a partir de técnicas tradicionais baseadas em modelos.
“Estamos em uma era emocionante, em que descrições quânticas preditivas confiáveis de toda a complexidade química dos materiais reais estão ao nosso alcance”, diz Peng. “Mesmo em algumas das classes mais desafiadoras de materiais quânticos, está se tornando realista prever o comportamento específico do material de elétrons correlacionados a partir dos primeiros princípios.
“Este é um passo importante para o projeto computacional de materiais cujas funções emergem de física correlacionada complexa, como a supercondutividade de alta temperatura, onde o grande espaço químico e a competição entre múltiplas fases exigem teoria preditiva para ajudar a focar a busca experimental por novos materiais”, acrescenta ela. “Estou animado para ver quais novos materiais esta teoria permitirá a descoberta no futuro.”
Outros autores do artigo do Caltech, “Rumo a um tratamento quântico preciso de muitos corpos da correlação de Kondo na impureza magnética”, são Huanchen Zhai, um ex-bolsista de pós-doutorado; Runze Chi, atual pós-doutorado; e Zi-Hao Cui (PhD ’23), que concluiu o trabalho como estudante de pós-graduação.
A pesquisa recebeu apoio do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea por meio do Programa de Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar, do Departamento de Energia dos EUA e seu Centro de Materiais Quânticos Magnéticos Moleculares, e da Fundação Nacional de Ciência dos EUA.
