A eletricidade mantém a vida moderna em funcionamento, desde carros e telefones até computadores e praticamente todos os dispositivos dos quais dependemos. 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 tubo.
No entanto, em alguns materiais, esse fluxo contínuo pode de repente se organizar em padrões rígidos, semelhantes a cristais. Quando os elétrons se acomodam nessas disposições rígidas, o material passa por uma mudança em seu estado da matéria e para de conduzir eletricidade. Em vez de atuar como um metal, ele se comporta como um isolante. Esse comportamento incomum fornece aos cientistas uma visão valiosa sobre como os elétrons interagem e abriu portas para avanços em computação quântica, supercondutores de alto desempenho usados em energia e imagem médica, sistemas de iluminação inovadores e relógios atômicos extremamente precisos.
Um grupo de físicos da Florida State University, incluindo o bolsista pós-doutoral Dirac do National High Magnetic Field Laboratory, Aman Kumar, o professor associado Hitesh Changlani e o professor assistente Cyprian Lewandowski, agora 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 mudar para uma forma mais fluida. Essa fase híbrida é chamada de cristal de Wigner generalizado, e as descobertas da equipe foram publicadas no npj Quantum Materials, uma publicação da Nature.
Como os Cristais Eletrônicos se Formam
Os cientistas há muito sabem que os elétrons em materiais bidimensionais finos podem se 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 entenderam completamente como elas se formam uma vez que efeitos quânticos adicionais são considerados.
“Em nosso estudo, determinamos quais ‘botões quânticos’ girar para acionar 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 em colmeia, ao contrário dos cristais de Wigner tradicionais que mostram apenas uma estrutura de rede triangular,” disse Changlani.
Para explorar essas condições, a equipe se apoiou em ferramentas computacionais avançadas do Centro de Computação da Pesquisa da FSU, uma unidade de serviço acadêmico dos Serviços de Tecnologia da Informação, bem como no programa ACCESS da National Science Foundation (um recurso avançado de computação e dados sob o escritório de Ciberinfraestrutura Avançada). Eles utilizaram métodos como diagonalização exata, grupo de renormalização de matriz de densidade e simulações de Monte Carlo para testar como os elétrons se comportam em diversos cenários.
Processando Enormes Quantidades de Dados Quânticos
Mecânica quântica atribui duas informações a cada elétron, e quando centenas ou milhares de elétrons interagem, a quantidade total de dados se torna extremamente grande. Os pesquisadores usaram algoritmos sofisticados para comprimir e organizar essas informações avassaladoras em redes que podiam ser analisadas e interpretadas.
“Estamos conseguindo imitar descobertas experimentais por meio de nosso entendimento teórico do estado da matéria,” disse Kumar. “Conduzimos cálculos teóricos precisos usando cálculos de rede tensor de ponta e diagonalização exata, uma técnica numérica poderosa 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 cristais 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 mostram comportamento tanto de isolantes quanto de condutores ao mesmo tempo. Alguns elétrons permanecem ancorados na rede cristalina, enquanto outros se libertam e se movem por todo o material. Seu movimento se assemelha a uma bolinha de pinball ricocheteando entre obstáculos estacionários.
“Essa fase do pinball é uma fase de matéria muito empolgante que observamos enquanto pesquisávamos o cristal de Wigner generalizado,” disse Lewandowski. “Alguns elétrons querem congelar e outros querem flutuar, o que significa que alguns são isolantes e outros conduzem eletricidade. Essa é a primeira vez que esse efeito mecânico quântico único foi observado e relatado para a densidade de elétrons que estudamos em nosso trabalho.”
Por que Essas Descobertas São Importantes
Esses resultados ampliam a capacidade dos cientistas de entender e controlar como a matéria se comporta ao nível quântico.
“O que causa algo ser isolante, condutor ou magnético? Podemos transmutar algo em um estado diferente?” perguntou Lewandowski. “Estamos procurando prever onde certas fases da matéria existem e como um estado pode transitar para outro — quando você pensa em transformar um líquido em gás, você imagina aumentar um botão de calor para fazer a água ferver e se tornar vapor. Aqui, descobrimos que existem outros botões quânticos que podemos ajustar 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 levar os elétrons de fases sólidas para líquidas dentro desses materiais. Compreender cristais de Wigner e seus estados relacionados pode moldar o futuro das tecnologias quânticas, incluindo computação quântica e spintrônica — uma área em rápida evolução da física da matéria condensada que promete dispositivos nanoeletrônicos mais rápidos e eficientes, com menor consumo de energia e redução de custos de fabricação.
A equipe pretende explorar ainda mais como os elétrons cooperam e se influenciam mutuamente em sistemas complexos. Seu objetivo é abordar questões fundamentais que podem, em última instância, impulsionar inovações em tecnologias quânticas, supercondutoras e atômicas.
