Entre todos os curiosos estados da matéria que podem coexistir em um material quântico, lutando pela preeminência como temperatura, densidade de elétrons e outros fatores mudam, alguns cientistas pensam que existe uma justaposição particularmente estranha em uma única interseção de fatores, chamado de ponto crítico quântico ou QCP.

"Os pontos críticos quânticos são uma questão muito quente e interessante para muitos problemas, "diz Wei-Sheng Lee, um cientista do Departamento de Energia do SLAC National Accelerator Laboratory e investigador do Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Alguns sugerem que eles são até mesmo análogos aos buracos negros no sentido de que são singularidades - intersecções pontuais entre diferentes estados da matéria em um material quântico - onde você pode obter todos os tipos de comportamento de elétrons muito estranho conforme você se aproxima deles. "

Lee e seus colaboradores relataram em Física da Natureza hoje que eles encontraram fortes evidências de que existem QCPs e suas flutuações associadas. Eles usaram uma técnica chamada espalhamento inelástico de raios-X ressonante (RIXS) para investigar o comportamento eletrônico de um material de óxido de cobre, ou cuprate, que conduz eletricidade com eficiência perfeita em temperaturas relativamente altas.

Esses chamados supercondutores de alta temperatura são um campo de pesquisa movimentado porque podem dar origem a uma transmissão de energia sem desperdício, sistemas de transporte com eficiência energética e outras tecnologias futurísticas, embora ninguém saiba o mecanismo microscópico subjacente por trás da supercondutividade de alta temperatura ainda. A existência de QCPs em cupratos também é uma questão muito debatida.

Em experimentos na Diamond Light Source do Reino Unido, a equipe resfriou o cuprate a temperaturas abaixo de 90 kelvins (menos 183 graus Celsius), onde se tornou supercondutor. Eles focaram sua atenção no que é conhecido como ordem de carga - faixas alternadas no material onde os elétrons e suas cargas negativas são mais densos ou mais esparsos.

Os cientistas animaram o cuprate com raios-X e mediram a luz de raios-X que se espalhou pelo detector RIXS. Isso lhes permitiu mapear como as excitações se propagaram através do material na forma de vibrações sutis, ou fonões, na estrutura atômica do material, que são difíceis de medir e requerem ferramentas de resolução muito alta.

Ao mesmo tempo, os raios X e os fônons podem excitar elétrons nas faixas de ordem de carga, fazendo com que as listras flutuem. Uma vez que os dados obtidos pelo RIXS refletem o acoplamento entre o comportamento das listras de carga e o comportamento dos fônons, a observação dos fônons permitiu aos pesquisadores medir o comportamento das listras de ordem de carga, também.

O que os cientistas esperavam ver é que, quando as listras de ordem de carga ficavam mais fracas, suas excitações também desapareceriam. "Mas o que observamos foi muito estranho, "Disse Lee." Vimos que quando a ordem de carga tornou-se mais fraca no estado supercondutor, as excitações da ordem de carga tornaram-se mais fortes. Isso é um paradoxo porque eles devem andar de mãos dadas, e é isso que as pessoas encontram em outros sistemas de ordem de cobrança. "

Ele adicionou, "Que eu saiba, este é o primeiro experimento sobre ordem de carga que mostrou esse comportamento. Alguns sugeriram que isso é o que acontece quando um sistema está perto de um ponto crítico quântico, onde as flutuações quânticas se tornam tão fortes que derretem a ordem de carga, muito parecido com o aquecimento do gelo, aumenta as vibrações térmicas em sua estrutura atômica rígida e a derrete em água. A diferença é que o derretimento quântico, em princípio, ocorre em temperatura zero. "Neste caso, Lee disse, as excitações de ordem de carga inesperadamente fortes vistas com RIXS eram manifestações dessas flutuações quânticas.

Lee disse que a equipe está agora estudando esses fenômenos em uma faixa mais ampla de temperaturas e em diferentes níveis de dopagem - onde os compostos são adicionados para alterar a densidade dos elétrons que se movem livremente no material - para ver se eles podem acertar exatamente onde o quantum é crítico ponto poderia estar neste material.

Thomas Devereaux, um teórico do SIMES e autor sênior do relatório, observou que muitas fases da matéria podem ser interligadas em cupratos e outros materiais quânticos.

"Estados supercondutores e magnéticos, listras de ordem de cobrança e assim por diante são tão emaranhadas que você pode estar em todas elas ao mesmo tempo, "disse ele." Mas estamos presos em nossa maneira clássica de pensar que eles têm que ser de uma forma ou de outra. "

Aqui, ele disse, "Nós temos um efeito, e Wei-Sheng está tentando medi-lo em detalhes, tentando ver o que está acontecendo. "