Físicos revelam um novo estado quântico onde os elétrons correm soltos

Em alguns materiais, no entanto, esse fluxo constante pode subitamente travar em padrões organizados semelhantes a cristais. Quando os elétrons se acomodam nesses arranjos rígidos, o material sofre uma mudança em 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 as portas para avanços na computação quântica, supercondutores de alto desempenho usados ​​em energia e imagens médicas, sistemas de iluminação inovadores e relógios atômicos extremamente precisos.

Um grupo 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 que permitem a formação de um tipo especial de cristal de elétrons. Neste estado, os elétrons se organizam em uma rede sólida, mas também podem mudar para uma forma mais fluida. Esta fase híbrida é chamada de cristal 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 sabem há muito tempo que os electrões em materiais finos e bidimensionais podem solidificar-se em cristais Wigner, um conceito proposto pela primeira vez em 1934. Experiências nos últimos anos detectaram estas estruturas, mas os investigadores não compreenderam completamente como surgem uma vez considerados 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 formas cristalinas, como listras ou cristais de favo de mel, ao contrário dos tradicionais cristais Wigner que mostram apenas um cristal de rede triangular, “Disse Changlani.

Para explorar essas condições, a equipe contou com ferramentas computacionais avançadas do Research Computing Center da FSU, uma unidade de serviço acadêmico 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 diagonalização exata, grupo de renormalização de matriz de densidade e simulações de Monte Carlo para testar como os elétrons se comportam em 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 torna-se extremamente grande. Os pesquisadores usaram algoritmos sofisticados para compactar e organizar essa esmagadora informação em redes que pudessem ser examinadas e interpretadas.

“Somos capazes de imitar descobertas experimentais através da nossa compreensão teórica do estado da matéria”, disse Kumar. “Conduzimos cálculos teóricos precisos usando cálculos de rede tensorial de última geração e diagonalização 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 os estados cristalinos surgiram e por que eles são favorecidos em comparação com outros estados energeticamente competitivos. “

Um novo híbrido: a fase do pinball quântico

Ao estudar o cristal generalizado 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 estacionários.

“Esta fase do pinball é uma fase muito emocionante da matéria que observamos enquanto pesquisávamos o cristal generalizado 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 isolante, condutor ou magnético? Podemos transmutar 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 em gás, imaginamos girar um botão de calor para fazer a água ferver e virar vapor. Aqui, acontece que existem outros botões quânticos com os quais podemos brincar 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 empurrar os elétrons das fases sólidas para as líquidas dentro desses materiais. Compreender os cristais de Wigner e os seus estados relacionados pode moldar o futuro das tecnologias quânticas, incluindo a computação quântica e a spintrónica – uma área da física da matéria condensada em rápida evolução que promete dispositivos nanoeletrónicos mais rápidos e eficientes, com menor utilização de energia e custos de produção reduzidos.

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 poderiam, em última instância, impulsionar inovações em tecnologias quânticas, supercondutoras e atômicas.