Conheça os exóticos metais quânticos críticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/12/2024

Nesses "metais estranhos", os el�trons t�m um comportamento absolutamente an�malo, tanto individualmente quanto coletivamente.
[Imagem: Haoyu Hu et al. - 10.1038/s41567-024-02679-7]

Metais qu�nticos cr�ticos

F�sicos acreditam ter desvendado mais um detalhe crucial do comportamento enigm�tico dos chamados metais qu�nticos cr�ticos, materiais que desafiam a f�sica convencional porque se encontram em um estado da mat�ria tido como "ex�tico": Eles apresentam propriedades eletr�nicas e magn�ticas que flutuam entre diferentes estados, sem se fixar em um estado espec�fico.

H� cerca de uma d�cada, ao estudarem as transi��es de fase desses materiais ex�ticos, f�sicos descobriram uma rela��o surpreendente entre o magnetismo e a eletricidade, rela��o esta que tem tudo a ver com a supercondutividade, a condu��o de eletricidade sem resist�ncia.

Os pesquisadores se debru�aram agora sobre os pontos cr�ticos qu�nticos (PCQs), que podem ser entendidos com os "tijolos" dos metais qu�nticos cr�ticos. Nesses pontos espec�ficos de uma transi��o de fase, os materiais oscilam no limite entre as duas fases distintas, como o magnetismo e o n�o-magnetismo.

A chave para este estudo � a criticidade qu�ntica, um estado delicado onde o material se torna ultrassens�vel �s chamadas flutua��es qu�nticas, dist�rbios microsc�picos que alteram o comportamento dos el�trons. E, como os el�trons passam a apresentar comportamentos coletivos, emergem "quasipart�culas", entidades que representam esses comportamentos conjuntos.

Embora os metais comuns obede�am a princ�pios bem estabelecidos, os metais qu�nticos cr�ticos n�o gostam de obedecer a essas normas, apresentando propriedades estranhas e coletivas que h� muito intrigam os cientistas. Os f�sicos chamam esses sistemas de "metais estranhos", o que � f�cil de entender se levarmos em conta, por exemplo, que os metais estranhos conduzem a eletricidade como se ela fosse um l�quido.

"Nosso trabalho investiga como as quasipart�culas perdem sua identidade nos metais estranhos nesses pontos cr�ticos qu�nticos, o que leva a propriedades �nicas que desafiam as teorias tradicionais," contou o professor Qimiao Si, da Universidade Rice (EUA).

Ilustra��o dos pontos cr�ticos qu�nticos (QCP).
[Imagem: Haoyu Hu et al. - 10.1038/s41567-024-02679-7]

Sumi�o das quasipart�culas

Neste caso, o termo quasipart�culas representa o comportamento coletivo dos el�trons, agindo em conjunto como se fossem part�culas individuais. Assim, essas quasipart�culas desempenham um papel crucial na transfer�ncia de energia e de informa��o nos materiais.

No entanto, nos PCQs (pontos cr�ticos qu�nticos), essas quasipart�culas simplesmente desaparecem, um fen�meno conhecido como destrui��o de Kondo. Quando isso acontece, os momentos magn�ticos do material cessam sua intera��o habitual com os el�trons, transformando dramaticamente a estrutura eletr�nica do metal.

Esta mudan�a fica evidente quando se tra�a um mapa dos poss�veis estados eletr�nicos dentro de um material, mapa esse conhecido como superf�cie de Fermi. � medida que o sistema atravessa o PCQ, a superf�cie de Fermi muda abruptamente, alterando significativamente as propriedades do material.

O mapeamento feito neste estudo poder� ser usado para estudar v�rios outros sistemas.
[Imagem: Haoyu Hu et al. - 10.1038/s41567-024-02679-7]

Comportamento universal entre materiais

O estudo foi al�m dos materiais com el�trons excepcionalmente energ�ticos, incluindo tamb�m os �xidos de cobre e certos compostos org�nicos. Todos esses metais estranhos apresentam comportamentos que desafiam a tradicional teoria do l�quido de Fermi, uma estrutura usada para descrever o movimento dos el�trons na maioria dos metais e que pode ser comparada a ver os el�trons como se fossem as mol�culas da �gua. Em vez disso, por�m, suas propriedades se alinham com constantes fundamentais, como a constante de Planck, que rege a rela��o qu�ntica entre energia e frequ�ncia.

Os pesquisadores identificaram ainda uma condi��o chamada escala planckiana din�mica, onde a depend�ncia da temperatura das propriedades eletr�nicas reflete fen�menos universais, como a radia��o c�smica de fundo em micro-ondas, um fen�meno astrof�sico que registra uma esp�cie de "eco do Big Bang", e a radia��o de corpo negro, que se aproxima do comportamento das estrelas. S�o interrela��es de longo alcance, em uma escala inimagin�vel � primeira vista.

Esta descoberta ressalta um padr�o organizacional compartilhado entre v�rios materiais qu�nticos cr�ticos, oferecendo dicas importantes, por exemplo, para a cria��o de supercondutores avan�ados, que possam apresentar a aus�ncia de resist�ncia el�trica em temperaturas mais pr�ximas da temperatura ambiente.

Metais estranhos: Quase todos os materiais envolvidos t�m liga��es com a supercondutividade.
[Imagem: Haoyu Hu et al. - 10.1038/s41567-024-02679-7]

Implica��es mais amplas

As implica��es da pesquisa estendem-se a outros materiais qu�nticos, incluindo os supercondutores � base de ferro e aqueles com estruturas reticuladas intrincadas. Um exemplo � o composto CePdAl (c�rio, pal�dio e alum�nio), cujo comportamento eletr�nico � ditado pela intera��o de duas for�as concorrentes, o efeito Kondo e um tipo de intera��o magn�tica indireta que ocorre entre spins localizados em diferentes �tomos de um metal ou liga met�lica, conhecida como intera��o RKKY.

Observando como essas for�as moldam o material nos PCQs pode ajudar a compreender melhor as transi��es em outros materiais correlacionados ou com rela��es intereletr�nicas complexas.

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