p Físicos americanos e europeus em busca de uma explicação para a supercondutividade de alta temperatura ficaram surpresos quando seu modelo teórico apontou para a existência de um material nunca antes visto em um reino diferente da física:materiais quânticos topológicos. p Em um novo estudo previsto para esta semana na edição inicial do Anais da Academia Nacional de Ciências ( PNAS ), O físico teórico da Rice University, Qimiao Si, e colegas do Rice Center for Quantum Materials em Houston e da Vienna University of Technology, na Áustria, fazem previsões que podem ajudar os físicos experimentais a criar o que os autores cunharam de um "semimetal Weyl-Kondo, "um material quântico com uma coleção variada de propriedades vistas em materiais díspares, como isolantes topológicos, metais de férmions pesados ​​e supercondutores de alta temperatura.

p Todos esses materiais se enquadram no título de "materiais quânticos, "cerâmica, compósitos em camadas e outros materiais cujo comportamento eletromagnético não pode ser explicado pela física clássica. Nas palavras do famoso escritor de ciências Philip Ball, materiais quânticos são aqueles em que "os aspectos quânticos se afirmam tenazmente, e a única maneira de entender completamente como o material se comporta é mantendo o quantum em vista. "

p Esses comportamentos peculiares surgem apenas em temperaturas muito frias, onde eles não podem ser mascarados pelas forças avassaladoras da energia térmica. Os materiais quânticos mais famosos são os supercondutores de alta temperatura descobertos na década de 1980, assim chamado por sua capacidade de conduzir corrente elétrica sem resistência em temperaturas bem acima das dos supercondutores tradicionais. Outro exemplo clássico são os materiais de férmions pesados ​​descobertos no final dos anos 1970. Nesses, elétrons parecem ser efetivamente centenas de vezes mais massivos do que o normal e, igualmente incomum, a massa efetiva do elétron parece variar fortemente com as mudanças de temperatura.

p Uma geração de físicos teóricos dedicou suas carreiras a explicar o funcionamento dos materiais quânticos. O trabalho de Si concentra-se no comportamento coletivo que emerge em materiais eletrônicos em transformação de um estado quântico para outro. É perto de tais pontos de transformação, ou "pontos críticos quânticos, "que fenômenos como a supercondutividade de alta temperatura ocorrem.

p Em 2001, Si e seus colegas ofereceram uma nova teoria que explicava como as flutuações eletrônicas entre dois estados quânticos inteiramente diferentes dão origem a tais comportamentos em pontos críticos quânticos. A teoria permitiu que Si e seus colegas fizessem uma série de previsões sobre o comportamento quântico que surgirá em determinados tipos de material à medida que os materiais são resfriados até o ponto crítico quântico. Em 2014, Si foi aproveitado para liderar o Centro de Arroz para Materiais Quânticos (RCQM), um esforço de toda a universidade que se baseia no trabalho de mais de uma dúzia de grupos de Rice nas escolas de Ciências Naturais e Engenharia.

p "Estamos absolutamente fascinados por materiais fortemente correlacionados, "Si disse de seu próprio grupo." O comportamento coletivo, como criticidade quântica e supercondutividade de alta temperatura sempre foram o centro de nossa atenção.

p "Nos últimos dois anos, vários grupos experimentais relataram topologia não trivial em materiais condutores de estado sólido, mas é uma questão em aberto se existem estados condutores que têm topologia não trivial e são, ao mesmo tempo, interagindo fortemente. Nenhum desses materiais foi realizado, mas há muito interesse em procurá-los. "

p No PNAS estude, Si disse que ele, o pós-doutorado Hsin-Hua Lai e a estudante de graduação Sarah Grefe estavam trabalhando com um conjunto de modelos para examinar questões relacionadas à criticidade quântica e supercondutores de alta temperatura.

p "Nós realmente acabamos de encontrar um modelo no qual, De repente, descobrimos que a massa tinha passado de 1, 000 vezes a massa de um elétron para zero, "Lai disse. Uma característica marcante dos" férmions de Weyl, "partículas quânticas indescritíveis propostas pela primeira vez por Hermann Weyl há mais de 80 anos, é que eles têm massa zero.

p Experimentalistas só recentemente forneceram evidências da existência de materiais condutores de estado sólido que se qualificam como hospedeiros de férmions de Weyl. Esses materiais compartilham algumas das características dos isolantes topológicos, um tipo de material quântico que ganhou atenção internacional após a entrega do Prêmio Nobel de Física 2016, mas são bastante distintos em outras maneiras. Tradicionalmente, materiais topológicos só foram definidos em isoladores, e a eletricidade fluiria apenas na superfície dos materiais e não através da massa. Os condutores topológicos, Contudo, transportar eletricidade a granel, graças aos férmions de Weyl.

p "Esses condutores topológicos podem ser descritos dentro da estrutura do livro de elétrons independentes, "Grefe disse." A questão central, tão desafiador quanto fascinante, é esta:O que acontece quando as correlações de elétrons são fortes? "

p Ao examinar seu trabalho mais de perto, Si, Lai e Grefe demonstraram que seus férmions de massa zero estão intimamente ligados a fortes correlações de elétrons e topologia não trivial.

p "Percebemos rapidamente que esses são férmions de Weyl que se originam de uma física de correlação forte quintessencial chamada de efeito Kondo, "Grefe disse." Portanto, apelidamos este estado de semimetal Weyl-Kondo.

p O efeito Kondo captura como uma banda de elétrons, que estão tão fortemente correlacionados uns com os outros que agem como spins localizados, comportar-se em um fundo de elétrons de condução.

p Junto com o co-autor do estudo Silke Paschen, um físico experimental da Universidade de Tecnologia de Viena que estava passando seis meses na RCQM como professor visitante quando a descoberta foi feita, Si, Lai e Grefe procuraram identificar as assinaturas experimentais únicas do semimetal de Weyl-Kondo.

p "Descobrimos que o efeito Kondo faz com que os férmions de Weyl se movam com uma velocidade que difere em várias ordens de magnitude do caso sem interação, "Lai disse." Isso nos permitiu predizer que as correlações de elétrons aumentarão uma determinada quantidade na dependência da temperatura do calor específico por um fator incompreensível de um bilhão.

p Si disse que este efeito é enorme, mesmo pelo padrão de sistemas de elétrons fortemente correlacionados, e o trabalho aponta para um princípio mais amplo.

p "O efeito Kondo nesses tipos de materiais ocorre nas proximidades da ordem magnética, "Si disse." Nosso trabalho anterior mostrou que a supercondutividade de alta temperatura tende a se desenvolver em sistemas no limite da ordem magnética, e este estudo sugere que alguns estados topológicos fortemente correlacionados se desenvolvem lá também.

p "Isso pode representar um princípio de design que guiará a busca por uma ampla variedade de estados topológicos fortemente correlacionados, " ele disse.