A eletricidade mantém a vida moderna em funcionamento, desde carros e telefones até computadores e quase todo dispositivo do qual dependemos. Ela funciona através do movimento de elétrons que viajam por um circuito. Embora essas partículas sejam muito pequenas para serem vistas, a corrente elétrica que produzem flui através de fios de uma maneira que se assemelha à água se movendo por um cano.
No entanto, em alguns materiais, esse fluxo constante pode, de repente, se organizar em padrões cristalinos. Quando os elétrons se acomodam nessas estruturas rígidas, o material passa por uma mudança em seu estado físico e deixa de conduzir eletricidade. Em vez de se comportar como um metal, ele age como um isolante. Esse comportamento incomum proporciona aos cientistas valiosas informações sobre como os elétrons interagem e abriu 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 Universidade Estadual da Flórida, incluindo o bolsista pós-doutoral do National High Magnetic Field Laboratory Aman Kumar, o professor associado Hitesh Changlani e o professor assistente Cyprian Lewandowski, identificou as condições específicas que permitem a formação de um tipo especial de cristal eletrônico. Neste estado, os elétrons se organizam em uma rede sólida, mas também podem se mover para uma forma mais fluida. Essa fase híbrida é chamada de cristal de Wigner generalizado, e os resultados da equipe foram publicados na npj Quantum Materials, uma publicação da Nature.
Como os Cristais Eletrônicos Se Formam
Os cientistas sabem há muito tempo que os elétrons em materiais finos e bidimensionais podem solidificar em cristais de Wigner, um conceito proposto pela primeira vez em 1934. Experimentos realizados nos últimos anos detectaram essas estruturas, mas os pesquisadores não haviam compreendido totalmente como elas surgem quando efeitos quânticos adicionais são considerados.
“Em nosso estudo, determinamos quais ‘botões quânticos’ acionar para provocar essa transição de fase e alcançar um cristal de Wigner generalizado, que utiliza um sistema moiré 2D e permite a formação de diferentes formas cristalinas, como cristais em listras ou de favo de mel, diferentemente dos cristais de Wigner tradicionais que apenas apresentam uma rede cristalina triangular”, afirmou Changlani.
Para explorar essas condições, a equipe utilizou ferramentas computacionais avançadas no Centro de Computação de Pesquisa da FSU, uma unidade de serviço acadêmico dos Serviços de Tecnologia da Informação, além do programa ACCESS da National Science Foundation (um recurso avançado de computação e dados sob a Diretoria de Ciberinfraestrutura Avançada). 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 sob vários cenários.
Processamento de Enormes Quantidades de Dados Quânticos
A mecânica quântica atribui duas peças de informação a cada elétron, e quando centenas ou milhares de elétrons interagem, a quantidade total de dados se torna extremamente grande. Os pesquisadores utilizaram algoritmos sofisticados para comprimir e organizar essas informações avassaladoras em redes que poderiam ser examinadas e interpretadas.
“Conseguimos imitar os achados experimentais por meio de nossa compreensão teórica do estado da matéria”, disse Kumar. “Realizamos cálculos teóricos precisos usando cálculos de rede tensorial de última geração e diagonalização exata, uma técnica numérica poderosa usada na 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 são favorecidos em comparação a outros estados energeticamente competitivos.”
Um Novo Híbrido: A Fase do Pinball Quântico
Enquanto estudavam o cristal de Wigner generalizado, a equipe descobriu outro estado surpreendente da matéria. Nesta fase recém-identificada, os elétrons exibem comportamentos isolantes e condutores ao mesmo tempo. Alguns elétrons permanecem ancorados dentro da rede cristalina, enquanto outros se libertam e se movem pela material. Seu movimento se assemelha a um pinball ricocheteando entre postes estacionários.
“Essa fase do pinball é uma fase de matéria muito empolgante que observamos enquanto pesquisávamos o cristal de Wigner generalizado”, afirmou Lewandowski. “Alguns elétrons querem congelar e outros querem flutuar, o que significa que alguns estão isolando e outros estão conduzindo eletricidade. Esta é a primeira vez que esse efeito quântico mecânico único foi observado e relatado para a densidade eletrônica que estudamos em nosso trabalho.”
Por Que Essas Descobertas Importam
Esses resultados ampliam a capacidade dos cientistas de entender e controlar como a matéria se comporta no nível quântico.
“O que causa algo ser isolante, condutor ou magnético? Podemos transformar algo em um estado diferente?” perguntou Lewandowski. “Estamos buscando prever onde certas fases da matéria existem e como um estado pode se transformar em outro — quando você pensa em transformar um líquido em gás, você imagina aumentar a intensidade do calor para fazer a água ferver em vapor. Aqui, descobrimos que há outros botões quânticos que podemos usar para manipular estados da matéria, o que pode levar a avanços impressionantes em pesquisas experimentais.”
Ao ajustar esses botões quânticos, ou escalas de energia, os pesquisadores podem mover elétrons de fases sólidas para líquidas dentro desses materiais. Compreender os cristais de Wigner e seus estados relacionados pode moldar o futuro das tecnologias quânticas, incluindo computação quântica e spintrônica — uma área rapidamente em evolução da física da matéria condensada que promete dispositivos nanoeletrônicos mais rápidos e eficientes, com menor consumo de energia e custos de fabricação reduzidos.
A equipe pretende explorar ainda mais como os elétrons cooperam e influenciam uns aos outros em sistemas complexos. O objetivo é abordar questões fundamentais que poderiam, em última instância, impulsionar inovações em tecnologias quânticas, supercondutoras e atômicas.
