O físico Qimiao Si da Rice University começou a mapear a criticidade quântica há mais de uma década, e ele finalmente encontrou um viajante que pode cruzar a fronteira final.

O viajante é uma liga de cério paládio e alumínio, e sua jornada é descrita em um estudo publicado online esta semana em Física da Natureza por Si, um físico teórico e diretor do Rice Center for Quantum Materials (RCQM), e colegas na China, Alemanha e Japão.

O mapa de Si é um gráfico chamado diagrama de fase, uma ferramenta que os físicos da matéria condensada costumam usar para interpretar o que acontece quando um material muda de fase, como quando um bloco sólido de gelo derrete em água líquida.

As regiões no mapa de Si são áreas onde os elétrons seguem diferentes conjuntos de regras, e o artigo descreve como os pesquisadores usaram o arranjo geométrico dos átomos na liga em combinação com várias pressões e campos magnéticos para alterar o caminho da liga e trazê-la para uma região onde os físicos só foram capazes de especular sobre as regras que governam o comportamento do elétron .

"Essa é a esquina, ou porção, deste roteiro que todos realmente desejam acessar, "Si disse, apontando para o lado esquerdo superior do diagrama de fase, no alto do eixo vertical marcado com G. "Foi necessário muito esforço da comunidade para procurar materiais candidatos que têm a característica de frustração geométrica, que é uma maneira de realizar este grande G. "

A frustração decorre do arranjo dos átomos de cério na liga em uma série de triângulos equiláteros. O arranjo da rede kagome é assim chamado por causa de sua semelhança com os padrões das cestas tradicionais kagome japonesas, e o arranjo triangular garante que gira, os estados magnéticos dos elétrons, não podem se organizar como normalmente fariam sob certas condições. Essa frustração forneceu uma alavanca experimental que Si e seus colaboradores poderiam usar para explorar uma nova região do diagrama de fase onde a fronteira entre dois estados bem estudados e bem compreendidos - um marcado por um arranjo ordenado de spins de elétrons e o outro por desordem —Divergido.

"Se você começar com um pedido, padrão antiferromagnético de spins de cima para baixo, arranjo de cima para baixo, existem várias maneiras de suavizar esse padrão rígido dos spins, "disse Si, o professor Harry C. e Olga K. Wiess no Departamento de Física e Astronomia de Rice. "Uma maneira é por meio do acoplamento a um fundo de elétrons de condução, e conforme você altera as condições para aprimorar esse acoplamento, os spins ficam cada vez mais confusos. Quando o embaralhamento é forte o suficiente, o padrão ordenado é destruído, e você acaba com uma fase não ordenada, uma fase paramagnética. "

Os físicos podem traçar essa jornada da ordem à desordem como uma linha em um diagrama de fases. No exemplo acima, a linha começaria em uma região marcada como "AF" para fase antiferromagnética, e continue através de uma fronteira em uma região vizinha marcada "P" para paramagnético. A passagem da fronteira é o "ponto crítico quântico" onde bilhões e trilhões de elétrons agem em uníssono, ajustando suas posições para se conformar com as regras do regime que acabaram de entrar.

Si é um dos principais defensores da criticidade quântica, um referencial teórico que busca descrever e prever o comportamento dos materiais quânticos em relação a esses pontos críticos e mudanças de fase.

“O que a frustração geométrica faz é estender o processo onde a ordem de giro se torna cada vez mais frágil para que não seja mais apenas um ponto por onde o sistema passa a caminho da desordem, "disse ele." Na verdade, esse ponto se divide em uma região separada, com bordas distintas em cada lado. "

Si disse a equipe, que incluiu autores co-correspondentes e parceiros RCQM Frank Steglich do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos em Dresden, Alemanha e Peijie Sun da Academia Chinesa de Ciências de Pequim, realizaram experimentos que forneceram evidências de que a liga de cério paládio e alumínio passa por duas passagens de fronteira.

Os físicos realizaram vários experimentos para ver como vários materiais se comportam na fase ordenada onde a liga começou sua jornada e na fase desordenada onde terminou, mas Si disse que esses são os primeiros experimentos a traçar um caminho através da fase intermediária que é possibilitado por um alto grau de frustração geométrica.

Ele disse que as medições das propriedades eletrônicas da liga à medida que ela passa pela região não podem ser explicadas por teorias tradicionais que descrevem o comportamento dos metais, o que significa que a liga se comportou como um metal "estranho" no território misterioso.

"O sistema agia como uma espécie de líquido de rotação, embora metálico, " ele disse.

Si disse que os resultados demonstram que a frustração geométrica pode ser usada como um princípio de design para criar metais estranhos.

"Isso é significativo porque as excitações eletrônicas incomuns em metais estranhos também são as propriedades exóticas subjacentes de outros materiais quânticos fortemente correlacionados, incluindo a maioria dos supercondutores de alta temperatura, " ele disse.