Na vida cotidiana, transições de fase geralmente têm a ver com mudanças de temperatura, por exemplo, quando um cubo de gelo fica mais quente e derrete. Mas também existem diferentes tipos de transições de fase, dependendo de outros parâmetros, como campo magnético. A fim de compreender as propriedades quânticas dos materiais, as transições de fase são particularmente interessantes quando ocorrem diretamente no ponto zero absoluto da temperatura. Essas transições são chamadas de "transições de fase quântica" ou "pontos críticos quânticos".

Esse ponto crítico quântico foi agora descoberto por uma equipe de pesquisa austro-americana em um novo material, e em uma forma incomumente primitiva. As propriedades deste material estão agora sendo investigadas. Suspeita-se que o material poderia ser um chamado semimetal Weyl-Kondo, que é considerado como tendo grande potencial para a tecnologia quântica devido a estados quânticos especiais (os chamados estados topológicos). Se isso for verdade, uma chave para o desenvolvimento direcionado de materiais quânticos topológicos teria sido encontrada. Os resultados foram encontrados em uma cooperação entre a TU Wien, Universidade Johns Hopkins, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e a Rice University e já foi publicado na revista Avanços da Ciência .

Criticidade quântica - mais simples e clara do que nunca

"Normalmente, o comportamento crítico quântico é estudado em metais ou isoladores. Mas agora olhamos para um semimetal, "diz o Prof. Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. O material é um composto de cério, rutênio e estanho - com propriedades que ficam entre as dos metais e dos semicondutores.

Usualmente, criticidade quântica só pode ser criada sob condições ambientais muito específicas - uma certa pressão ou um campo eletromagnético. "Surpreendentemente, Contudo, nosso semimetal acabou sendo crítico quântico, sem qualquer influência externa, "diz Wesley Fuhrman, um Ph.D. estudante da equipe do Prof. Collin Broholm na Universidade Johns Hopkins, que deu uma contribuição importante para o resultado com medições de espalhamento de nêutrons. "Normalmente você tem que trabalhar duro para produzir as condições adequadas de laboratório, mas este semimetal fornece por si só a criticidade quântica. "

Este resultado surpreendente provavelmente está relacionado ao fato de que o comportamento dos elétrons neste material possui algumas características especiais. "É um sistema de elétrons altamente correlacionado. Isso significa que os elétrons interagem fortemente entre si, e que você não pode explicar seu comportamento olhando para os elétrons individualmente, "diz Bühler-Paschen." Esta interação de elétrons leva ao chamado efeito Kondo. Aqui, um spin quântico no material é protegido por elétrons ao seu redor, de modo que a rotação não tem mais nenhum efeito sobre o resto do material. "'

Se houver apenas relativamente poucos elétrons livres, como é o caso em um semimetal, então o efeito Kondo é instável. Esta pode ser a razão para o comportamento quântico crítico do material:o sistema flutua entre um estado com e um estado sem o efeito Kondo, e isso tem o efeito de uma transição de fase à temperatura zero.

Flutuações quânticas podem levar a partículas de Weyl

A principal razão pela qual o resultado é de tanta importância é que se suspeita que ele esteja intimamente ligado ao fenômeno dos "férmions de Weyl". Em sólidos, Os férmions de Weyl podem aparecer na forma de quasipartículas - ou seja, como excitações coletivas, como ondas em um lago. De acordo com as previsões teóricas, tais férmions Weyl devem existir neste material, "diz o físico teórico Qimiao Si, da Rice University. Prova experimental, Contudo, ainda está para ser encontrado. "Suspeitamos que a criticidade quântica que observamos favorece a ocorrência de tais férmions de Weyl, "diz Silke Bühler-Paschen." As flutuações quânticas críticas podem, portanto, ter um efeito estabilizador sobre os férmions de Weyl, de maneira semelhante às flutuações quânticas críticas em supercondutores de alta temperatura que mantêm pares supercondutores de Cooper juntos. Esta é uma questão fundamental que é o assunto de muitas pesquisas em todo o mundo, e descobrimos uma nova pista quente aqui. "

Parece-nos que certos efeitos quânticos - nomeadamente flutuações quânticas críticas, o efeito Kondo e os férmions de Weyl - estão fortemente entrelaçados no material recém-descoberto e, juntos, dar origem a exóticos estados de Weyl-Kondo. Estes são estados "topológicos" de grande estabilidade que, ao contrário de outros estados quânticos, não pode ser facilmente destruído por distúrbios externos. Isso os torna particularmente interessantes para computadores quânticos.

Para verificar tudo isso, outras medições sob diferentes condições externas devem ser realizadas. A equipe espera que uma interação semelhante dos vários efeitos quânticos também seja encontrada em outros materiais. "Isso pode levar ao estabelecimento de um conceito de design com o qual tais materiais podem ser especificamente melhorados, adaptado e usado para aplicações de concreto, "diz Bühler-Paschen.