Como você encontra novos materiais com propriedades muito específicas – por exemplo, propriedades eletrônicas especiais que são necessárias para computadores quânticos? Esta é geralmente uma tarefa muito complicada:vários compostos são criados, nos quais átomos potencialmente promissores são organizados em certas estruturas cristalinas, e então o material é examinado, por exemplo, no laboratório de baixa temperatura de TU Wien.
Agora, uma cooperação entre a Rice University (Texas), a TU Wien e outras instituições internacionais de pesquisa conseguiu rastrear materiais adequados no computador. Novos métodos teóricos são usados ​​para identificar candidatos particularmente promissores a partir do grande número de materiais possíveis. As medições na TU Wien mostraram que os materiais realmente têm as propriedades necessárias e o método funciona. Este é um passo importante para a pesquisa de materiais quânticos. Os resultados já foram publicados na revista Nature Physics .

Semimetais topológicos

A Rice University no Texas e a TU Wien já trabalharam juntas com muito sucesso nos últimos anos na busca de novos materiais quânticos com propriedades muito especiais:em 2017, os dois grupos de pesquisa apresentaram o primeiro chamado "semimetal Weyl-Kondo" - um material que poderia potencialmente desempenhar um papel importante na pesquisa em tecnologias de computação quântica.

"Os elétrons em tal material não podem ser descritos individualmente", explica o Prof. Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido em TU Wien. “Existem interações muito fortes entre esses elétrons, eles interferem uns nos outros como ondas de acordo com as leis da física quântica e, ao mesmo tempo, se repelem por causa de sua carga elétrica”.

É precisamente esta forte interação que leva a excitações dos elétrons, que só podem ser descritas usando métodos matemáticos muito elaborados. Nos materiais que estão sendo estudados, a topologia também desempenha um papel importante - é um ramo da matemática que lida com propriedades geométricas que não são alteradas por deformação contínua, como o número de furos em uma rosquinha, que permanece o mesmo mesmo que o donut é ligeiramente espremido.

De maneira semelhante, os estados eletrônicos no material podem permanecer estáveis ​​mesmo que o material seja levemente perturbado. É precisamente por isso que esses estados são tão úteis para aplicações práticas, como computadores quânticos.

Usando o computador para identificar possíveis candidatos

Calcular o comportamento de todos os elétrons que interagem fortemente no material é impossível – nenhum supercomputador no mundo é capaz de fazê-lo. Mas com base em descobertas anteriores, agora foi possível desenvolver um princípio de projeto que usa cálculos de modelo simplificados combinados com considerações matemáticas de simetria e um banco de dados de materiais conhecidos para fornecer sugestões sobre quais desses materiais podem ter as propriedades topológicas teoricamente esperadas.

"Esse método forneceu três desses candidatos e, em seguida, produzimos um desses materiais e o medimos em nosso laboratório em baixas temperaturas", diz Silke Bühler-Paschen. "E, de fato, essas primeiras medições indicam que é um semimetal topológico altamente correlacionado - o primeiro a ser previsto em uma base teórica usando um computador."

Uma chave importante para o sucesso foi explorar as simetrias do sistema de maneira inteligente:"O que postulamos foi que excitações fortemente correlacionadas ainda estão sujeitas a requisitos de simetria. Por causa disso, posso dizer muito sobre a topologia de um sistema sem recorrendo a cálculos ab initio que são frequentemente necessários, mas são particularmente desafiadores para estudar materiais fortemente correlacionados", diz Qimiao Si, da Rice University. "Todas as indicações são de que encontramos uma maneira robusta de identificar materiais que possuem os recursos que desejamos". + Explorar mais

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