A eletricidade mantém a vida moderna funcionando, desde carros e telefones até computadores e quase todos os dispositivos dos quais dependemos. Funciona pelo movimento de elétrons em um circuito. Embora essas partículas sejam pequenas demais para serem vistas, elas geram eletricidade que flui através dos fios de maneira semelhante à água que flui através dos canos.
Em alguns materiais, no entanto, este fluxo constante bloqueia-se subitamente em padrões organizados semelhantes a cristais. Quando os elétrons entram nesses arranjos rígidos, o estado da matéria do material muda e ele para de conduzir eletricidade. Não se comporta como um metal, mas como um isolante. Este comportamento incomum fornece aos cientistas informações valiosas sobre como os elétrons interagem e abre a porta para avanços em supercondutores de alto desempenho, sistemas de iluminação inovadores e relógios atômicos extremamente precisos usados em computação quântica, energia e imagens médicas.
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 Lewandowski, identificaram agora as condições específicas para a formação de cristais eletrônicos especiais. Nesse estado, os elétrons se organizam em uma rede cristalina sólida, mas também podem se transformar em uma forma mais fluida. Esta fase mista é chamada de cristal Wigner generalizado, e as descobertas da equipe foram publicadas na revista Nature npj Quantum Materials.
Como os cristais eletrônicos são formados
Os cientistas sabem há muito tempo que os electrões em materiais bidimensionais finos podem solidificar-se em cristais Wigner, um conceito proposto pela primeira vez em 1934. Experiências nos últimos anos detectaram estas estruturas, mas os investigadores ainda não compreendem completamente como surgem uma vez levados em conta efeitos quânticos adicionais.
“Em nosso estudo, determinamos quais ‘botões quânticos’ girar para desencadear essa transição de fase e obter um cristal Wigner generalizado, que usa um sistema moiré 2D e permite a formação de diferentes formatos de cristal, como listras ou cristais em favo de mel, ao contrário dos tradicionais cristais Wigner que exibem apenas cristais de rede triangular, “disse Changlani.
Para explorar essas condições, a equipe contou com ferramentas de computação avançadas do Research Computing Center da Florida State University, uma unidade de serviços acadêmicos de Serviços de Tecnologia da Informação, e do programa ACCESS (Advanced Computing and Data Resources under the Office of Advanced Cyber Infrastructure) da National Science Foundation. Eles usaram métodos como diagonalização exata, grupos de renormalização de matriz de densidade e simulações de Monte Carlo para testar como os elétrons se comportam em diversas situações.
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 investigadores utilizam algoritmos complexos para comprimir e organizar estas vastas quantidades de informação em redes que podem ser examinadas e interpretadas.
“Conseguimos simular resultados experimentais através de uma compreensão teórica do estado da matéria”, disse Kumar. “Realizamos cálculos teóricos precisos usando cálculos de rede tensorial de última geração e diagonalização exata, uma poderosa técnica numérica usada em física para coletar informações detalhadas sobre o hamiltoniano quântico, que representa a energia quântica total em um sistema. Dessa forma, podemos fornecer uma imagem de como surgem os estados cristalinos e por que eles são favorecidos em comparação com outros estados energeticamente concorrentes.”
Um novo híbrido: estágio de pinball quântico
Ao estudar os cristais generalizados de Wigner, a equipe descobriu outro estado surpreendente da matéria. Nesta fase recém-descoberta, os elétrons exibem comportamento isolante e condutor. Alguns elétrons permanecem ancorados na rede cristalina, enquanto outros se separam e se movem por todo o material. Seu movimento é como uma bola de pinball quicando entre postes fixos.
“A fase pinball é uma fase muito emocionante da matéria que observamos enquanto estudávamos os cristais generalizados de Wigner”, disse Levandowski. “Alguns elétrons querem congelar e outros querem flutuar, o que significa que alguns elétrons são isolantes e outros condutores. Esta é a primeira vez que observamos e relatamos esse efeito mecânico quântico único nas densidades eletrônicas que estudamos em nosso trabalho.”
Por que essas descobertas são importantes
Estes resultados aumentam a capacidade dos cientistas de compreender e controlar como a matéria se comporta no nível quântico.
“O que torna algo isolante, condutor ou magnético? Podemos transformar algo em um estado diferente?” Levandowski disse. “Queríamos prever onde existem certas fases da matéria e como um estado transita para outro – quando pensamos em transformar um líquido em gás, imaginamos ligar um botão de aquecimento para ferver água e transformá-la em vapor. Aqui, descobrimos que podemos usar outros botões quânticos para manipular estados da matéria, o que poderia levar a avanços impressionantes em estudos experimentais.”
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 associados poderia moldar o futuro das tecnologias quânticas, incluindo a computação quântica e a spintrónica, um campo em rápido crescimento da física da matéria condensada que promete dispositivos nanoelectrónicos mais rápidos e eficientes, ao mesmo tempo que reduz o consumo de energia e os custos de produção.
A equipe pretende explorar ainda mais como os elétrons cooperam e influenciam uns aos outros em sistemas complexos. Seu objetivo é resolver questões fundamentais que, em última análise, impulsionam a inovação em tecnologias quânticas, supercondutoras e atômicas.
