p As transições de fase comuns são aquelas que ocorrem em função da variação da temperatura. O gelo muda de fase para se tornar água líquida a 0 graus Celsius. A água líquida muda de fase para se tornar vapor d'água a 100 graus Celsius. De forma similar, materiais magnéticos tornam-se não magnéticos em temperaturas críticas. Contudo, também há transições de fase que não dependem da temperatura. Eles ocorrem nas proximidades do zero absoluto [-273,15 graus Celsius] e estão associados a flutuações quânticas. p Um estudo envolvendo experimentos em condições extremas, especialmente temperaturas ultrabaixas e campos magnéticos intensos, e acompanhado pela interpretação teórica dos resultados experimentais explorou este tipo de situação e investigou o ponto crítico quântico manifestado em uma transição altamente incomum.

p A pesquisadora italiana Valentina Martelli e o peruano Julio Larrea, ambos professores do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP) no Brasil, participou do estudo, que é publicado em Proceedings of The National Academy of Sciences ( PNAS )

p A parte experimental, liderado pelo professor Silke Paschen, foi conduzido nos laboratórios da Universidade de Tecnologia de Viena (TUW) na Áustria. O trabalho teórico foi realizado por um grupo liderado por Qimiao Si, Professor de Física e Astronomia na Rice University, nos Estados Unidos.

p "Encontramos e interpretamos evidências de dois pontos críticos quânticos sucessivos associados a uma divisão dupla do efeito Kondo, "Larrea disse.

p Nomeado em homenagem ao físico japonês Jun Kondo (nascido em 1930), o efeito Kondo explica a formação de férmions pesados ​​em compostos metálicos baseados em elementos de terras raras. Nestes compostos, os elétrons se comportam coletivamente devido à sua forte correlação, formando um singleto (um coletivo de partículas distintas que se comportam como uma única partícula), que pode ser representado como o acoplamento do momento magnético localizado do íon de terras raras com o elétron de condução ao seu redor. Essa quase-partícula pode atingir massas até milhares de vezes a massa de um elétron livre.

p No estudo descrito aqui, o singleto foi quebrado duas vezes em duas ordens magnéticas:um dipolar, resultante do momento magnético da quase-partícula, e o outro quadrupolar, resultante da interação entre seus orbitais eletrônicos.

p O experimento foi realizado com o fermion pesado Ce3Pd20Si6, um composto de cério (Ce), paládio (Pd) e silício (Si). Larrea deve continuar as investigações com o apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo por meio do projeto "Uma investigação sobre estados quânticos topológicos e exóticos em condições extremas".

p "O ponto de partida para essas transições são as fortes correlações entre os elétrons e certos materiais, que nos permite entender esse tipo de mudança de estado, "Larrea disse.

p “Vários tipos de interação coletiva podem afetar os elétrons. Um estado possível é o que chamamos de 'metal estranho'. Em férmions pesados, o transporte de elétrons é análogo ao de metais comuns, mas os elétrons são fortemente correlacionados e se comportam coletivamente como se formassem uma única quase-partícula, que transporta a carga. Isso não é o que acontece em uma transição de fase quântica, portanto, o estado é chamado de 'estranho. "O que observamos experimentalmente é que as propriedades físicas, como a resistência elétrica, se comportam de maneira bastante diferente do transporte clássico de elétrons em metais."

p O fenômeno ocorre em temperaturas extremamente baixas, muito próximas do zero absoluto. Quando as temperaturas caem tanto, flutuações termodinâmicas praticamente desaparecem, e flutuações quânticas são observadas, constituindo o "meio" em que ocorrem as interações entre os elétrons.

p "Até a publicação do nosso estudo, a maioria dos experimentos desse tipo concentrou-se em materiais nos quais a correlação de elétrons leva ao que é conhecido como magnetismo de elétrons simultaneamente itinerante e localizado. Esses materiais pertencem ao grupo das terras raras e incluem férmions pesados:'férmions' porque os elétrons têm spin fracionário e obedecem às estatísticas de Fermi-Dirac; 'pesado' porque eles se correlacionam com uma quase-partícula com grande massa efetiva, "Larrea disse.

p “Esses materiais também têm um momento magnético, então, além de uma quase-partícula portadora de carga, eles também estão associados a uma quase-partícula com um momento magnético protegido ou blindado pelos elétrons de condução. Cada momento magnético blindado pode ser acoplado ao seu vizinho na rede cristalina, produzindo uma ordem magnética em todo o material. No caso de Ce3Pd20Si6, esta ordem é do tipo anti-ferromagnético, o que significa que os momentos magnéticos na rede são acoplados de forma antiparalela. No ponto crítico quântico, esta ordem magnética pode ser suprimida sem a influência de um parâmetro de controle termodinâmico, mas aplicando um campo magnético. O singlet Kondo quebra, e o elétron que estava acoplado a essa ordem magnética simplesmente se separa. "

p Isso não contradiz os fundamentos da mecânica quântica, mas é muito diferente do que é descrito nos livros didáticos de física básica. Como o momento magnético é definido em relação ao spin, a supressão da ordem magnética cria uma situação em que os elétrons parecem não ter spin.

p "Este ponto crítico quântico baseado em uma ordem magnética já havia sido relatado em outros artigos, "Larrea disse." A diferença em nosso caso era que, além da ordem magnética dipolar, o material também exibia uma ordem magnética quadrupolar gerada pelos orbitais dos elétrons. Nosso diagrama de fase, que é quase um resumo gráfico do estudo, portanto, mostra dois pontos críticos quânticos:um em que a ordem dipolar é interrompida, e a outra em que a ordem quadrupolar é quebrada. "

p De acordo com Larrea, além desta descoberta, os resultados do estudo também são importantes na medida em que contribuem para a compreensão de outros problemas não resolvidos, por exemplo, como os elétrons são organizados coletivamente para produzir supercondutividade. “É necessária uma ordem coletiva para produzir o transporte de longo alcance, "disse ele." Certos tipos de material com fortes correlações entre os elétrons podem fornecer isso. Agora sabemos que essas fortes correlações podem ser suprimidas para favorecer a formação de novos estados com propriedades físicas mensuráveis, mesmo em temperaturas diferentes do zero absoluto. "

p O próximo passo é estender a investigação das mudanças nas correlações eletrônicas usando um parâmetro de controle diferente - pressão - de forma que seja possível no futuro fazer uso tecnológico desse conhecimento em áreas como a computação quântica.